JP2024502033A - Specific detection of nucleic acid sequences using activation, cleavage and counting (ACC) technology - Google Patents

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Abstract

本開示は、増幅を伴わないアプローチにおいてフォトニック共振器吸収顕微鏡(PRAM)に連結された、単純な単一工程の室温での活性化・切断および計数(ACC)アッセイを提供する。本明細書に開示されるアッセイ、ならびに関連するシステムおよび方法は、医療現場での、ウイルスおよび細菌病原体、ならびに疾患、例えば、がんの検出を可能にする。【選択図】図1The present disclosure provides a simple, single-step, room temperature activation, cleavage and counting (ACC) assay coupled to photonic resonator absorption microscopy (PRAM) in an amplification-free approach. The assays and related systems and methods disclosed herein enable the detection of viral and bacterial pathogens and diseases, such as cancer, in medical settings. [Selection diagram] Figure 1

Description

2019年12月にSARS-CoV-2(COVID-19)ウイルスが病原体保有動物からヒトに感染して以来、このウイルスは急速に世界中に広がり、死亡、疾病、日常生活の混乱、ならびに企業および個体の経済的損失をもたらしている。あらゆる国の医療システムの重要な課題は、この疾患を迅速かつ正確に診断し得ることであり、その要因には、利用可能な検査キットの数が限られること、認定された検査施設の数が限られること、さらに相まって、結果を得て患者に情報を提供するのに必要な時間が限られることが含まれる。迅速診断検査に関連する課題は、どの個人を隔離すべきかの不確実性、乏しい疫学情報、およびコミュニティ内/コミュニティ間の感染経路を迅速に追跡することができないことの一因となっている。COVID-19診断の基礎にある課題は、過去の新興流行病およびパンデミックとの遭遇からすでに周知であり、蚊媒介疾患(ジカ熱、デング熱、チクングニア熱、マラリア)、HIVなどの診断に内在する課題の代表でもある。すでに、広範な検査を実施し得ることは、それを実施している国、例えば、大韓民国において、誰を隔離すべきかに関する正確な情報を提供し、その結果、疾患の伝播をよりタイムリーにコントロールし得るという明確なメリットを示している。現在のCOVID-19感染の最初の第1波の後であっても、継続的なサーベイランスは継続されると予想されており、旅行、雇用、および密接な人と人との交流を必要とする多くの状況において、より日常的な側面となる可能性が高い。 Since the SARS-CoV-2 (COVID-19) virus was transmitted from a reservoir animal to humans in December 2019, the virus has rapidly spread around the world, causing death, illness, disruption to daily life, and disruption to businesses and businesses. This results in economic loss for individuals. A key challenge for health systems in all countries is being able to diagnose this disease quickly and accurately, due to the limited number of test kits available and the limited number of accredited testing facilities. Coupled with the limited time required to obtain results and provide information to patients. Challenges associated with rapid diagnostic tests contribute to uncertainty about which individuals should be isolated, poor epidemiological information, and an inability to rapidly trace transmission within/between communities. The challenges underlying COVID-19 diagnosis are already well known from past encounters with emerging epidemics and pandemics, and challenges inherent in diagnosing mosquito-borne diseases (Zika, dengue, chikungunya, malaria), HIV, etc. He is also the representative of The ability to conduct widespread testing already provides countries that have done so, such as the Republic of Korea, with accurate information about who should be quarantined, thereby allowing for more timely control of disease transmission. It shows clear advantages that can be achieved. Continued surveillance is expected to continue even after the initial first wave of current COVID-19 infections, requiring travel, employment, and close person-to-person interactions. It is likely to be a more routine aspect of many situations.

しかし、利用可能な技術は依然として高価であり(機器の資本設備および試薬の点で)、技術的に困難であり、労働集約的である。そのため、医療現場で感染症の迅速かつ正確で多重化された診断を提供できる低コストの携帯型プラットフォームが緊急に必要とされている。ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)(非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3)および関連するアプローチは、出発物質の量の少なさ(ウイルス粒子当たり1ゲノムコピー)、RNA抽出プロセスの不安定性、試験試料中の阻害物質、および多くの試薬の品質管理の不備の組合せにより、高い偽陰性率が問題となっている(非特許文献4、非特許文献5)。さらに、酵素DNA/RNA増幅手法は、医療現場で最小限に処理された試料から作業する場合、プライマーの二量体化および理想的な緩衝液条件の乱れが原因となって、偽陽性が問題となる(非特許文献6)。 However, the available techniques remain expensive (in terms of equipment capital equipment and reagents), technically difficult, and labor intensive. Therefore, there is an urgent need for a low-cost, portable platform that can provide rapid, accurate, and multiplexed diagnosis of infectious diseases in medical settings. Polymerase chain reaction (PCR) (Non-Patent Literature 1, Non-Patent Literature 2, Non-Patent Literature 3) and related approaches are characterized by the low amount of starting material (one genome copy per virus particle) and the instability of the RNA extraction process. , inhibitors in the test sample, and poor quality control of many reagents, resulting in high false-negative rates (Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 5). Furthermore, enzymatic DNA/RNA amplification techniques are problematic when working from minimally processed samples in clinical settings, where false positives are a problem due to primer dimerization and perturbation of ideal buffer conditions. (Non-patent Document 6).

さらに、疾患の検出にも同様の限界がある。例えば、がんの診断には、がんの存在を正確に検出するために、高価で複雑で時間のかかる検査が必要である。これは患者に不必要な身体的および感情的負担をもたらし、医療費の増大の一因となる。 Additionally, disease detection has similar limitations. For example, cancer diagnosis requires expensive, complex, and time-consuming tests to accurately detect the presence of cancer. This places unnecessary physical and emotional strain on patients and contributes to increased healthcare costs.

C.Zhang and D. Xing、「Miniaturized PCR chips for nucleic acid amplification and analysis: latest advances and future trends」、Nucleic Acids Res.、35巻、13号、4223~4237頁、2007年。C. Zhang and D. Xing, “Miniaturized PCR chips for nuclear acid amplification and analysis: latest advances and future trends”, Nucleic Acid. sRes. , Vol. 35, No. 13, pp. 4223-4237, 2007. J.Wang、Z.Chen、P.L.A.M.Corstjens、M.G.Mauk、and H.H.Bau、「A disposable microfluidic cassette for DNA amplification and detection」、Lab Chip、6巻,1号、46~53頁、2006年。J. Wang, Z. Chen, P. L. A. M. Corstjens, M. G. Mauk, and H. H. Bau, "A disposable microfluidic cassette for DNA amplification and detection", Lab Chip, Vol. 6, No. 1, pp. 46-53, 2006. S.H.Lee、S.-W.Kim、J.Y.Kang、and C.H.Ahn、「A polymer lab-on-a-chip for reverse transcription(RT)-PCR based point-of-care clinical diagnostics」、Lab Chip、8巻、12号、2121~2127頁、2008年。S. H. Lee, S. -W. Kim, J. Y. Kang, and C. H. Ahn, “A polymer lab-on-a-chip for reverse transcription (RT)-PCR based point-of-care clinical diagnostics,” Lab Chip, Vol. 8, No. 12, 21. pp. 21-2127, 2008. 「Types of Zika Virus Tests」、Center for Disease Control(CDC).[Online].http://www.cdc.gov/zika/laboratories/types-of-tests.htmlより入手可能。“Types of Zika Virus Tests”, Center for Disease Control (CDC). [Online]. http://www. cdc. gov/zika/laboratories/types-of-tests. Available from html. R.N.Charrel、I.Leparc-Goffart、S.Pas、X.de Lamballerie、M.Koopmans、and C.Reusken、「Background review for diagnostic test development for Zika virus infection」、Bull.World Health Organ.、94巻、8号、574頁、2016年。R. N. Charrel, I. Leparc-Goffart, S. Pas, X. de Lamballerie, M. Koopmans, and C. Reusken, "Background review for diagnostic test development for Zika virus infection", Bull. World Health Organ. , Volume 94, Issue 8, Page 574, 2016. N.Bonne、P.Clark、P.Shearer、and S.Raidal、「Elimination of false-positive polymerase chain reaction results resulting from hole punch carryover contamination」、J.Vet.Diagnostic Investig.、20巻、1号、60~63頁、2008年。N. Bonne, P. Clark, P. Shearer, and S. Raidal, “Elimination of false-positive polymerase chain reaction results from hole punch carryover contamination”; J. Vet. Diagnostic Investig. , Vol. 20, No. 1, pp. 60-63, 2008.

したがって、当技術分野では、感染症および病態、例えば、がんの検出のための、信頼性があり、迅速かつ安価である、低コストの携帯型プラットフォームを提供することに対して需要がある。 Therefore, there is a need in the art to provide a reliable, rapid, inexpensive, low-cost, portable platform for the detection of infectious diseases and pathological conditions, such as cancer.

一態様では、例示的な実施形態は、試料中の核酸を検出するためのシステムを提供する。本システムは、ヌクレオチドテザーによってソース基板の表面に結合されたストレプトアビジン連結ナノ粒子を有するソース基板;ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ媒体;ビオチン化バイオセンサー;およびイメージングプラットフォームを含む。ガイドポリヌクレオチド配列は、標的ヌクレオチド配列およびCas酵素に結合し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成し、Cas酵素は、ヌクレオチドテザーを切断し、ストレプトアビジン連結ナノ粒子を放出するように構成されており、ストレプトアビジン連結ナノ粒子は続いてビオチン化バイオセンサーに結合することができ、その後に、ビオチン化バイオセンサーに結合したストレプトアビジン連結ナノ粒子の数を定量化するように構成されているイメージングプラットフォームを使用する。 In one aspect, an exemplary embodiment provides a system for detecting nucleic acids in a sample. The system comprises a source substrate having streptavidin-linked nanoparticles attached to the surface of the source substrate by a nucleotide tether; an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, wherein the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme target An assay medium capable of forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a sample containing a nucleotide sequence; a biotinylated biosensor; and an imaging platform. The guide polynucleotide sequence is configured to bind to the target nucleotide sequence and a Cas enzyme, thereby forming a CRISPR/Cas complex, and the Cas enzyme is configured to cleave the nucleotide tether and release the streptavidin-linked nanoparticles. and an imaging platform configured to allow the streptavidin-conjugated nanoparticles to subsequently bind to the biotinylated biosensor and subsequently quantify the number of streptavidin-conjugated nanoparticles bound to the biotinylated biosensor. use.

さらなる一態様では、例示的な実施形態は、ソース基板;ビオチン化バイオセンサー;ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体、ストレプトアビジン結合ナノ粒子の集団;ならびに複数のヌクレオチドテザーを含む生物学的アッセイであって、ストレプトアビジン結合ナノ粒子は、複数のヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーに結合されており、ヌクレオチドテザーは、核酸配列で構成される、生物学的アッセイを提供する。 In a further aspect, an exemplary embodiment provides a source substrate; a biotinylated biosensor; an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme; a population of streptavidin-conjugated nanoparticles; and a biosensor comprising a plurality of nucleotide tethers. The assay provides a biological assay in which streptavidin-conjugated nanoparticles are coupled to a biosensor using multiple nucleotide tethers, where the nucleotide tethers are comprised of nucleic acid sequences.

別のさらなる一態様では、例示的な実施形態は、試料中の核酸を検出するための方法であって、ストレプトアビジンをナノ粒子に結合させて、ストレプトアビジン含有ナノ粒子を作出する方法を提供する。ストレプトアビジン含有ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用してソース基板の表面に結合させ、それによってアッセイ表面を作出する。ビオチン化バイオセンサーは、バイオセンサーをビオチンでコーティングすることによって生成される。活性化Cas酵素は、試験試料をアッセイ培地に添加することによって生成され、アッセイ培地は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試験試料に曝露された場合に、活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有する。活性化Cas酵素およびアッセイ表面のインキュベーション時に切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子を、続いて捕捉して、ビオチン化バイオセンサーとともにインキュベートし;ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン含有ナノ粒子の数を、イメージングプラットフォームを使用して定量化する。 In another further aspect, an exemplary embodiment provides a method for detecting nucleic acids in a sample, the method comprising: binding streptavidin to nanoparticles to create streptavidin-containing nanoparticles. . Streptavidin-containing nanoparticles are attached to the surface of the source substrate using a nucleotide tether, thereby creating an assay surface. Biotinylated biosensors are produced by coating a biosensor with biotin. Activated Cas enzyme is produced by adding a test sample to an assay medium, the assay medium containing a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, and the guide polynucleotide sequence and Cas enzyme containing a target nucleotide sequence. has the ability to form an activated CRISPR/Cas complex when exposed to. Streptavidin-containing nanoparticles that are cleaved upon incubation of the activated Cas enzyme and assay surface are subsequently captured and incubated with the biotinylated biosensor; the number of streptavidin-containing nanoparticles that bind to the biotinylated biosensor is determined by Quantify using an imaging platform.

一態様では、例示的な実施形態は、試料中の核酸を検出するためのシステムであって、ヌクレオチドテザーによって自由浮遊微粒子に結合されたストレプトアビジン連結ナノ粒子を含む、システムを提供する。本システムはまた、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ培地であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ培地、ビオチン化バイオセンサー、ならびにイメージングプラットフォームを含む。本システムでは、ガイドポリヌクレオチド配列は、標的ヌクレオチド配列およびCas酵素に結合し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成し、Cas酵素は、ヌクレオチドテザーを切断し、それによってストレプトアビジン連結ナノ粒子を放出するように構成されている。続いて、ストレプトアビジン連結ナノ粒子は、ビオチン化バイオセンサーに結合し、イメージングプラットフォームは、ビオチン化バイオセンサーに結合したストレプトアビジン連結ナノ粒子の数を定量化するように構成されている。 In one aspect, an exemplary embodiment provides a system for detecting nucleic acids in a sample that includes a streptavidin-linked nanoparticle attached to a free-floating microparticle by a nucleotide tether. The system also includes an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a sample containing the target nucleotide sequence. can include assay media, biotinylated biosensors, and imaging platforms. In this system, a guide polynucleotide sequence binds to a target nucleotide sequence and a Cas enzyme, thereby forming a CRISPR/Cas complex, and the Cas enzyme cleaves the nucleotide tether, thereby releasing streptavidin-linked nanoparticles. is configured to do so. Subsequently, the streptavidin-conjugated nanoparticles are bound to the biotinylated biosensor, and the imaging platform is configured to quantify the number of streptavidin-conjugated nanoparticles bound to the biotinylated biosensor.

さらなる一態様では、生物学的アッセイは、ストレプトアビジン連結ナノ粒子、自由浮遊微粒子、ビオチン化バイオセンサー、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ培地、ストレプトアビジン連結ナノ粒子の集団、ならびに複数のヌクレオチドテザーを含む。ストレプトアビジン連結ナノ粒子は、複数のヌクレオチドテザーを使用して自由浮遊微粒子に結合されており、ヌクレオチドテザーは、核酸配列で構成される。 In a further aspect, a biological assay comprises streptavidin-linked nanoparticles, a free-floating microparticle, a biotinylated biosensor, an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, a population of streptavidin-linked nanoparticles, and a plurality of nucleotides. Including tether. Streptavidin-linked nanoparticles are attached to free-floating microparticles using multiple nucleotide tethers, where the nucleotide tethers are comprised of nucleic acid sequences.

別のさらなる一態様では、試料中の核酸を検出するための方法であって、ストレプトアビジンをナノ粒子に結合させて、ストレプトアビジン含有ナノ粒子を作出すること、およびストレプトアビジン含有ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用して自由浮遊微粒子に係留することを含む方法である。ビオチン化バイオセンサーは、バイオセンサーをビオチンでコーティングすることによって作出される。活性化Cas酵素は、試験試料をアッセイ培地に添加することによって生成され、アッセイ培地は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含む。ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試験試料に曝露された場合に活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有し、活性化Cas酵素のインキュベーション時に切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子および自由浮遊微粒子を捕捉し、切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子をビオチン化バイオセンサーとともにインキュベートする。続いて、ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン含有ナノ粒子を、イメージングプラットフォームを使用して定量化する。 In another further aspect, a method for detecting a nucleic acid in a sample, the method comprising: conjugating streptavidin to a nanoparticle to create a streptavidin-containing nanoparticle; The method involves anchoring free-floating particles using tethers. Biotinylated biosensors are created by coating a biosensor with biotin. Activated Cas enzyme is produced by adding a test sample to an assay medium that includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme. The guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme have the ability to form an activated CRISPR/Cas complex when exposed to a test sample containing the target nucleotide sequence, and upon incubation of the activated Cas enzyme cleaved streptavidin. The nanoparticles and free-floating microparticles are captured and the cleaved streptavidin-containing nanoparticles are incubated with the biotinylated biosensor. Streptavidin-containing nanoparticles that bind to the biotinylated biosensor are subsequently quantified using an imaging platform.

一態様では、例示的な実施形態は、試料中の核酸を検出するためのシステムを提供する。本システムは、ヌクレオチドテザーによってバイオセンサーの表面に結合されたナノ粒子を有するバイオセンサー;ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ媒体;ならびにイメージングプラットフォームを含む。ガイドポリヌクレオチド配列は、標的ヌクレオチド配列およびCas酵素に結合し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成する。Cas酵素は、ヌクレオチドテザーを切断し、それによってナノ粒子を放出するように構成されている。イメージングプラットフォームは、試料の添加の前および後の、バイオセンサーに係留されたナノ粒子の数を定量化するように構成されている。 In one aspect, an exemplary embodiment provides a system for detecting nucleic acids in a sample. The system comprises a biosensor having nanoparticles attached to the surface of the biosensor by a nucleotide tether; an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, wherein the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme target a target nucleotide sequence; an assay medium capable of forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a containing sample; and an imaging platform. The guide polynucleotide sequence binds to the target nucleotide sequence and the Cas enzyme, thereby forming a CRISPR/Cas complex. The Cas enzyme is configured to cleave the nucleotide tether, thereby releasing the nanoparticle. The imaging platform is configured to quantify the number of nanoparticles tethered to the biosensor before and after sample addition.

さらなる一態様では、例示的な実施形態は、バイオセンサー;ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体;ナノ粒子の集団;ならびに複数のヌクレオチドテザーを含む生物学的アッセイを提供する。ナノ粒子は、複数のヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーの表面に結合されており、ヌクレオチドテザーは、核酸配列で構成される。 In a further aspect, an exemplary embodiment provides a biological assay that includes a biosensor; an assay medium that includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme; a population of nanoparticles; and a plurality of nucleotide tethers. The nanoparticles are attached to the surface of the biosensor using multiple nucleotide tethers, which are comprised of nucleic acid sequences.

さらに別の態様では、例示的な実施形態は、試料中の核酸を検出するための方法を提供する。検出は、ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーの表面に係留し、それによってアッセイ表面を作出することによって達成される。続いて、アッセイ媒体をアッセイ表面に添加する。アッセイ媒体は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる。本方法は、標的ヌクレオチド配列を含有する可能性のある生体試料をアッセイに添加し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成させること、ならびに試料の添加の前および後の、バイオセンサーに係留されたナノ粒子の数を、イメージングプラットフォームを使用して定量化することをさらに含む。 In yet another aspect, exemplary embodiments provide methods for detecting nucleic acids in a sample. Detection is achieved by tethering nanoparticles to the surface of the biosensor using nucleotide tethers, thereby creating an assay surface. Subsequently, assay medium is added to the assay surface. The assay medium includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme that are capable of forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a sample containing the target nucleotide sequence. The method involves adding a biological sample potentially containing a target nucleotide sequence to an assay, thereby forming a CRISPR/Cas complex, and a biological sample tethered to a biosensor, before and after addition of the sample. Further comprising quantifying the number of nanoparticles using an imaging platform.

図1Aは、フォトニック結晶(PC)を下から照射し、金ナノ粒子(AuNP)を上から付着させるための携帯型PRAM検出機器の模式図である。図1Bは、付着したAuNPのピーク強度値(PIV)画像である。図1Cは、1つのAuNPによるPCの共振反射強度の減少を示す。FIG. 1A is a schematic diagram of a portable PRAM detection instrument for illuminating a photonic crystal (PC) from below and depositing gold nanoparticles (AuNP) from above. FIG. 1B is a peak intensity value (PIV) image of the deposited AuNPs. Figure 1C shows the reduction in the resonant reflection intensity of PC with one AuNP. 活性化・切断および計数(ACC)アッセイの概念を示す。活性化CRISPR/Cas RNP複合体は、PC表面のDNAテザーを切断して、AuNPの剥離をもたらし、シグナル変化を引き起こす。The concept of activation, cleavage and counting (ACC) assay is illustrated. The activated CRISPR/Cas RNP complex cleaves the DNA tether on the PC surface, leading to the detachment of the AuNP and causing a signal change. 図3Aは、100nMのN遺伝子の存在下でRNP複合体によって引き起こされるレポーター遺伝子の無差別切断を示す。図3Bは、100nMのE遺伝子の存在下でRNP複合体によって引き起こされるレポーター遺伝子の無差別切断を示す。図3Cは、100nMの各標的遺伝子の添加後の、FAMからの蛍光発光の増加を示す。図3Dは、標的N遺伝子濃度の関数としての蛍光発光強度を示す。Figure 3A shows the promiscuous cleavage of the reporter gene caused by the RNP complex in the presence of 100 nM N gene. Figure 3B shows the promiscuous cleavage of the reporter gene caused by the RNP complex in the presence of 100 nM E gene. Figure 3C shows the increase in fluorescence emission from FAM after addition of 100 nM of each target gene. Figure 3D shows fluorescence emission intensity as a function of target N gene concentration. 図4Aは、SARS-CoV-2ゲノムのN遺伝子(100nM)を標的とするRNP複合体を添加した後のDNAテザーの切断およびナノ粒子の除去を示す。図4Bは、SARS-CoV-2ゲノムのE遺伝子(100nM)を標的とするRNP複合体を添加した後のDNAテザーの切断およびナノ粒子の除去を示す。Figure 4A shows DNA tether cleavage and nanoparticle removal after addition of RNP complex targeting the N gene (100 nM) of the SARS-CoV-2 genome. Figure 4B shows DNA tether cleavage and nanoparticle removal after addition of RNP complex targeting the E gene (100 nM) of the SARS-CoV-2 genome. N遺伝子およびE遺伝子のそれぞれについて、対照試料(不活性化Cas12a/gRNA複合体)の添加の前および後のPC上のAuNPカウントの変化を示す。Changes in AuNP counts on PC before and after addition of control sample (inactivated Cas12a/gRNA complex) are shown for N and E genes, respectively. N遺伝子、対照(N遺伝子)、E遺伝子および対照(E遺伝子)をそれぞれ含有するRNP複合体の存在下でのAuNPの相対的変化を表す比較チャートである。Figure 2 is a comparison chart depicting the relative changes of AuNPs in the presence of RNP complexes containing N gene, control (N gene), E gene and control (E gene), respectively. ビオチン化PEGによるAuNP捕捉と、それに続くストレプトアビジン連結AuNPの放出時の活性化切断および計数、ならびにその後のビオチン化バイオセンサーへの結合の概略図である。Figure 2 is a schematic diagram of AuNP capture by biotinylated PEG followed by activated cleavage and counting upon release of streptavidin-linked AuNPs and subsequent binding to a biotinylated biosensor. 図7A~7Fは、低濃度試験による用量反応曲線である。結合したAuNP対標的濃度の用量反応曲線を、0.1aM(試験試料中におよそ300コピーの標的分子)(図7A)、1aM(試験試料中におよそ3,000コピーの標的分子)(図7B)、10aM(試験試料中におよそ30,000コピーの標的分子)(図7C)、100aM(試験試料中におよそ300,000コピーの標的分子)(図7D)、および1fM(試験試料中におよそ3,000,000コピーの標的分子)(図7E)について示す。個々の結合曲線を、結合したAuNP対標的濃度の用量反応曲線上にグラフ化している(図7F)。Figures 7A-7F are dose response curves from low concentration studies. Dose-response curves of bound AuNPs versus target concentration were shown at 0.1 aM (approximately 300 copies of target molecules in the test sample) (Figure 7A), 1aM (approximately 3,000 copies of target molecules in the test sample) (Figure 7B). ), 10aM (approximately 30,000 copies of target molecules in the test sample) (Figure 7C), 100aM (approximately 300,000 copies of target molecules in the test sample) (Figure 7D), and 1fM (approximately 30,000 copies of target molecules in the test sample) (Figure 7C), 3,000,000 copies of the target molecule) (FIG. 7E). The individual binding curves are plotted on a dose-response curve of bound AuNP versus target concentration (FIG. 7F). 図7-1の続き。Continuation of Figure 7-1. 図7-2の続き。Continuation of Figure 7-2. ACC用量反応および標的選択性(2つのデータセットのうちの1)。(図8a)1zM、(図8b)10zM、(図8c)100zMまたは(図8d)1aMのEGFR遺伝子断片による活性化の後のCas12aによる放出後にAuNPが捕捉されたPC表面の画像。左および右のパネルは、それぞれEGFRWTおよびEGFRL858Rを使用して捕捉されたAuNPを示す。(図8e)各画像セット(図8a~8d)からのAuNPカウントのプロット。ACC dose response and target selectivity (1 of 2 data sets). Images of PC surfaces where AuNPs were captured after release by Cas12a following activation with EGFR gene fragments of (Fig. 8a) 1zM, (Fig. 8b) 10zM, (Fig. 8c) 100zM or (Fig. 8d) 1aM. Left and right panels show AuNPs captured using EGFR WT and EGFR L858R , respectively. (Figure 8e) Plot of AuNP counts from each image set (Figures 8a-8d). ACC用量反応および標的選択性(2つのデータセットのうちの2)。(図9a)1zM、(図9b)10zM、(図9c)100zMまたは(図9d)1aMのEGFR遺伝子断片による活性化の後のCas12aによる放出後にAuNPが捕捉されたPC表面の画像。左および右のパネルは、それぞれEGFRWTおよびEGFRL858Rを使用して捕捉されたAuNPを示す。(図9e)各画像セット(図9a~9d)からのAuNPカウントのプロット。ACC dose response and target selectivity (2 of 2 data sets). Images of PC surfaces where AuNPs were captured after release by Cas12a following activation with EGFR gene fragments of (Figure 9a) 1zM, (Figure 9b) 10zM, (Figure 9c) 100zM or (Figure 9d) 1aM. Left and right panels show AuNPs captured using EGFR WT and EGFR L858R , respectively. (Figure 9e) Plot of AuNP counts from each image set (Figures 9a-9d).

ここに記載される本明細書の特定の態様は、提示される特定の実施形態に限定されず、異なる場合があることが理解されるべきである。また、本明細書で使用される用語は、特定の態様のみを記載する目的のためであり、本明細書で特に定義されない限り、限定を意図しないことも理解されるであろう。さらに、本明細書に開示される特定の実施形態は、当業者には認識されるであろうが、限定されることなく、本明細書に開示される他の実施形態と組み合わせることができる。 It is to be understood that the particular aspects of the invention described herein are not limited to the particular embodiments presented, which may vary. It will also be understood that the terms used herein are for the purpose of describing particular embodiments only and are not intended to be limiting unless otherwise defined herein. Furthermore, as will be appreciated by those skilled in the art, certain embodiments disclosed herein can be combined with other embodiments disclosed herein without limitation.

本明細書を通じて、文脈上特に別段の指示がない限り、「含む(comprise)」および「含む(include)」という用語、ならびにそれらの変形物(例えば、「含む(comprises)」、「含むこと(comprising)」、「含む(includes)」、および「含むこと(including)」)は、記載された構成要素、特徴、要素、もしくは工程、または構成要素、特徴、要素、もしくは工程のグループを含むが、任意の他の構成要素、特徴、要素、もしくは工程、または構成要素、特徴、要素、もしくは工程の群を排除しないことを示すと理解される。「含む」、「本質的にからなる」、および「からなる」という用語のいずれも、それらの通常の意味を保ちながら、他の2つの用語のいずれかに置き換えることができる。 Throughout this specification, unless the context indicates otherwise, the terms "comprise" and "include" and variations thereof (e.g., "comprises", "including") are used, unless the context clearly dictates otherwise. "comprising", "includes", and "including" include the listed component, feature, element, or step, or group of components, features, elements, or steps. , is understood to indicate not excluding any other component, feature, element, or step, or group of components, features, elements, or steps. Any of the terms "comprising," "consisting essentially of," and "consisting of" can be replaced by any of the other two terms while retaining their ordinary meaning.

本明細書で使用される場合、単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」、および「その(the)」は、文脈が明らかに別様のことを指示しない限り、複数の指示対象を含む。 As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" refer to the plural unless the context clearly dictates otherwise. contains the referent of.

別段の指示がない限り、または文脈および当業者の理解から別様であることが明らかでない限り、範囲として表される本明細書中の値は、文脈が明らかに別段の指示をしない限り、範囲の下限の単位の10分の1までの、本開示のさまざまな実施形態において記載された範囲内の任意の特定の値または部分範囲を想定することができる。 Unless the context clearly dictates otherwise, or the context and the understanding of one of ordinary skill in the art indicates otherwise, values herein that are expressed as ranges refer to ranges unless the context clearly dictates otherwise. Any particular value or subrange within the ranges described in the various embodiments of this disclosure, up to one-tenth of the lower limit of , can be envisioned.

本明細書および図面で使用される場合、範囲および量は、特定の値または範囲の「約」として表すことができる。「約」は、正確な量も含む。例えば、「約5%」は、「約5%」および「5%」も意味する。「約」という用語は、所与の値または値の範囲の±10%を指すこともできる。したがって、約5%は、例えば、4.5%~5.5%も意味する。 As used herein and in the drawings, ranges and amounts can be expressed as "about" a particular value or range. "About" includes a precise amount. For example, "about 5%" also means "about 5%" and "5%." The term "about" can also refer to ±10% of a given value or range of values. Approximately 5% therefore also means, for example, 4.5% to 5.5%.

本明細書で使用される「試料」は、ヌクレオチド配列を含有する任意のタイプの試料を指し、これは生体試料を範囲に含む。「生体試料」は、本明細書中に記載される1つまたはそれ以上の疾患および/もしくは障害に罹患しているか、または罹患する可能性のある、臓器パンチもしくは組織生検を含むがこれらに限定されない体組織の試料、または温血動物、例えば、哺乳動物、好ましくはヒトに由来する血液、脳脊髄液、血漿、もしくは唾液を含むがこれらに限定されない体液の試料を指す。生体試料はまた、非ヒト哺乳動物および他の動物から得られた組織または血液試料を指すこともできる。 As used herein, "sample" refers to any type of sample containing nucleotide sequences, including biological samples. "Biological sample" includes, but is not limited to, an organ punch or tissue biopsy that is or may be afflicted with one or more of the diseases and/or disorders described herein. Refers to a sample of body tissue, or a sample of body fluid, including, but not limited to, blood, cerebrospinal fluid, plasma, or saliva from a warm-blooded animal, such as a mammal, preferably a human. Biological sample can also refer to tissue or blood samples obtained from non-human mammals and other animals.

本開示を考慮して、本明細書に記載される方法および組成物を、所望の必要性を満たすように当業者が構成することができる。 In view of this disclosure, the methods and compositions described herein can be configured by one of ordinary skill in the art to meet desired needs.

1.概観
本開示は、SARS-CoV-2をそのゲノムの2つの独立した独特な区画を標的化することを介して検出するための安価な携帯型機器と連結された、単純な活性化・切断および計数(ACC)アッセイであって、標的核酸配列の酵素的増幅を使用しないアプローチにおいて、フォトニック共振器吸収顕微鏡(PRAM)と連結された、クラスター化された規則的に間隔を置く短いパリンドローム反復配列(CRISPR)ベースの核酸検出を使用することによるアッセイを提供する。開示されるアッセイおよび検出機器はまた、SARS-CoV-2以外の広範囲にわたる感染病原体、ならびに病理学的疾患、例えば、がんの存在を検出するように適合させることもできる。PRAM機器は、米国特許出願第16/170,111号に記載されており、一方、フォトニック結晶(PC)バイオセンサーのさまざまな態様は、米国特許第7,479,404号、同第7,521,769号、同第7,531,786号、同第7,737,392号、同第7,742,662号、および同第7,968,836号に記載されており、これらはすべて参照により本明細書に組み入れられる。
1. Overview The present disclosure provides simple activation, cleavage and Clustered regularly spaced short palindromic repeats coupled to photonic resonator absorption microscopy (PRAM) in an approach that does not use enzymatic amplification of target nucleic acid sequences. An assay is provided by using sequence (CRISPR) based nucleic acid detection. The disclosed assays and detection devices can also be adapted to detect the presence of a wide range of infectious agents other than SARS-CoV-2, as well as pathological diseases, such as cancer. PRAM devices are described in U.S. Patent Application No. 16/170,111, while various aspects of photonic crystal (PC) biosensors are described in U.S. Pat. No. 521,769, No. 7,531,786, No. 7,737,392, No. 7,742,662, and No. 7,968,836, all of which are Incorporated herein by reference.

微生物のCRISPRおよびCRISPR関連(CRISPR/Cas)適応免疫系は、CRISPRベースの診断に利用し得るプログラム可能なエンドヌクレアーゼを含有する[7][8]。本明細書に記載されるシステム、アッセイ、および方法は、これらの酵素-ガイドRNA複合体(RNPと呼ばれる)の、その特異的標的への結合(RNP活性化)後の無差別な一本鎖核酸切断能力を利用して、シグナル変化を生じさせる。しかし、現在のプラットフォームは、測定可能な変化をCRISPR工程からのラテラルフローテストストリップまたは蛍光光度計で検出するために、配列特異的プライマーおよびDNAポリメラーゼを使用する前増幅工程を必要とする。本開示では、特異的な標的核酸配列の迅速検出を行うために、PRAMバイオセンサーイメージングプラットフォームを利用して、核酸テザー[9]を有するフォトニック結晶(PC)ナノ構造表面に結合したAuNP、またはビオチン化バイオセンサーに結合したストレプトアビジン連結AuNPを含む、ナノ粒子のデジタル計数を行う。 Microbial CRISPR and CRISPR-associated (CRISPR/Cas) adaptive immune systems contain programmable endonucleases that can be exploited for CRISPR-based diagnostics [7][8]. The systems, assays, and methods described herein utilize promiscuous single-stranded binding of these enzyme-guide RNA complexes (referred to as RNPs) to their specific targets (RNP activation). The ability to cleave nucleic acids is used to generate signal changes. However, current platforms require a pre-amplification step using sequence-specific primers and DNA polymerases in order to detect measurable changes with lateral flow test strips or fluorometers from the CRISPR process. In this disclosure, we utilize a PRAM biosensor imaging platform to perform rapid detection of specific target nucleic acid sequences to detect AuNPs attached to photonic crystal (PC) nanostructure surfaces with nucleic acid tethers [9] or Digital counting of nanoparticles containing streptavidin-linked AuNPs bound to a biotinylated biosensor is performed.

2.PRAMの作動原理
PRAMバイオセンシングプラットフォームの携帯バージョンを図1Aに示す。ポート1は、ファイバー結合617nM LED光源(M617F2、Thorlabs)に連結されており、レンズ群(F810SMA-635、Thorlabs)がまず、出力ビームを平行化するために利用される。ゼロ次半波長板(WPH10M-633、Thorlabs)は、平行化されたビームの偏光を回転させて、PCキャビティのTM共振モードを励起する。続いて、平凸レンズ(LA1509-A-ML、Thorlabs)が、Olympusプランフルオライト対物レンズ20倍/0.5開口数(NA)対物レンズの背面焦点面にビームを収束させ、そこから平行化ビームが垂直入射でPC表面に当たる。手動3軸ステージ(PT3、Thorlabs)を使用して、PCサンプルを対物レンズの焦点面に固定する。PC共振器からの反射光を同じ対物レンズによって収集し、50/50非偏光ビームスプリッタ(CCM1-BS013、Thorlabs)によって方向を変える。ダブレット(AC254-200-A-ML、Thorlabs)が、177nM/ピクセルの解像度で電荷結合素子(CCD)カメラ(GS3-U3-51S5M-C、Point Grey)に画像面を投影する。図1Cに示すように、特定の共振波長および入射角で完全な干渉が発生し、光は透過せず、ほぼ100%の反射効率が得られる。共振反射率の大きさは、PC表面への吸収性AuNPの添加によって劇的に減少し(図1C)、その結果、LEDからの光で照明して反射強度の画像を作成することによって各AuNPを観察することができる(図1B)。フォトニック共振器吸収顕微鏡(PRAM)と呼ばれる顕微鏡アプローチを使用して、PC全体の共振ピーク強度値(PIV)をピクセルごとに測定することにより、PCの前面を水性媒体に浸した状態で、平行化された広帯域光で透明基板を通して構造を照明することによって、付着したAuNPのPIV画像を収集することができる。
2. PRAM Working Principle A mobile version of the PRAM biosensing platform is shown in Figure 1A. Port 1 is coupled to a fiber-coupled 617nM LED light source (M617F2, Thorlabs) and a lens group (F810SMA-635, Thorlabs) is first utilized to collimate the output beam. A zero-order half-wave plate (WPH10M-633, Thorlabs) rotates the polarization of the collimated beam to excite the TM resonant mode of the PC cavity. A plano-convex lens (LA1509-A-ML, Thorlabs) then focuses the beam onto the back focal plane of an Olympus Plan Fluorite 20x/0.5 numerical aperture (NA) objective, from which the collimated beam hits the PC surface at normal incidence. A manual 3-axis stage (PT3, Thorlabs) is used to fix the PC sample in the focal plane of the objective lens. The reflected light from the PC resonator is collected by the same objective and redirected by a 50/50 non-polarizing beam splitter (CCM1-BS013, Thorlabs). A doublet (AC254-200-A-ML, Thorlabs) projects the image plane onto a charge-coupled device (CCD) camera (GS3-U3-51S5M-C, Point Gray) with a resolution of 177 nM/pixel. As shown in FIG. 1C, perfect interference occurs at a certain resonant wavelength and angle of incidence, and no light is transmitted, resulting in nearly 100% reflection efficiency. The magnitude of the resonant reflectance was dramatically reduced by the addition of absorbing AuNPs to the PC surface (Figure 1C), and as a result, each AuNP was can be observed (Figure 1B). Using a microscopy approach called photonic resonator absorption microscopy (PRAM), we measure the resonant peak intensity values (PIV) across the PC pixel by pixel, with the front side of the PC immersed in an aqueous medium, PIV images of the deposited AuNPs can be collected by illuminating the structure through the transparent substrate with standardized broadband light.

2.アッセイの作動原理
活性化・切断および計数アッセイ(「アッセイ」)は、増幅を伴わない生物学的アッセイであり、PRAMバイオセンサーイメージングプラットフォームに連結されたCRISPR-Casベースの検出である。第1の例示的な実施形態では、プラットフォームは、ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン連結金ナノ粒子(AuNP)のデジタル計数を行う。第2の例示的な実施形態では、プラットフォームは、標的核酸配列がガイドポリヌクレオチド配列およびCasと相互作用して活性化複合体を形成する場合にフォトニック結晶表面から放出されるAuNPのデジタル計数を行う。
2. Assay Principle of Operation The Activation, Cleavage and Counting Assay (“Assay”) is a non-amplification biological assay with CRISPR-Cas based detection coupled to a PRAM biosensor imaging platform. In a first exemplary embodiment, the platform performs digital counting of streptavidin-conjugated gold nanoparticles (AuNPs) bound to a biotinylated biosensor. In a second exemplary embodiment, the platform provides digital counting of AuNPs released from a photonic crystal surface when a target nucleic acid sequence interacts with a guide polynucleotide sequence and Cas to form an activated complex. conduct.

アッセイの第1の実施形態は、ビオチン化ナノ粒子捕捉アッセイであり、この場合はPRAM機器を使用して、ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン連結ナノ粒子の数を検出する。ビオチン化ナノ粒子捕捉アッセイは、ソース基板、ビオチン結合のためのオープンポケットを有するストレプトアビジンに連結されたナノ粒子の集団、複数のヌクレオチドテザー、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ培地、ならびにビオチン化バイオセンサーを含む。本明細書で使用される「オープンポケット」は、ビオチン結合に利用可能なストレプトアビジン上のビオチン結合部位の1つまたはそれ以上を指す。より具体的には、ソース基板は、ストレプトアビジン連結ナノ粒子の集団を含有し、これらのナノ粒子は複数のヌクレオチドテザーを介してソース基板に結合されている。「ソース基板」という用語は、ガラス(酸化シリコン)、プラスチック(ポリエステル、ポリスチレン、アクリル)、金属(金、銀)、または誘電体(窒化シリコンまたは酸化チタン)を含む材料から選択される任意の生物学的に不活性な固体材料を指す。ソース基板は、1つまたはそれ以上のssDNAテザーを有するその表面に近接してナノ粒子を保持することができる表面である。一実施形態では、ソース基板は、PCバイオセンサーである。 The first embodiment of the assay is a biotinylated nanoparticle capture assay, in which a PRAM instrument is used to detect the number of streptavidin-conjugated nanoparticles that bind to a biotinylated biosensor. The biotinylated nanoparticle capture assay consists of a source substrate, a population of nanoparticles linked to streptavidin with an open pocket for biotin binding, an assay medium containing multiple nucleotide tethers, a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, and biotin including chemical biosensors. As used herein, "open pocket" refers to one or more biotin binding sites on streptavidin that are available for biotin binding. More specifically, the source substrate contains a population of streptavidin-linked nanoparticles that are attached to the source substrate via multiple nucleotide tethers. The term "source substrate" refers to any biological material selected from materials including glass (silicon oxide), plastic (polyester, polystyrene, acrylic), metal (gold, silver), or dielectric (silicon nitride or titanium oxide). Refers to a chemically inert solid material. A source substrate is a surface that can hold nanoparticles in close proximity to its surface with one or more ssDNA tethers. In one embodiment, the source substrate is a PC biosensor.

ナノ粒子は、広範囲にわたる材料で構成することができる。例示的な一実施形態では、ナノ粒子は金ナノ粒子(AuNP)である。他の実施形態では、ナノ粒子材料は、量子ドット、金属ベースのナノ粒子、磁性ナノ粒子、またはSiOもしくはTiOのような誘電体材料から構成されるナノ粒子である。磁性プラズモン性ナノ粒子タグも使用することができ、それによって、放出されたナノ粒子とビオチン化されたバイオセンサーとの間に引力磁場を印加することによって、バイオセンサーがナノ粒子に結合するのに必要な時間を短縮することができる。本開示のストレプトアビジン含有ナノ粒子は、非特異的ヌクレオチド配列で構成されるDNAヌクレオチドテザーを使用してソース基板に係留される。これに一致して、テザーは、ほぼあらゆる一本鎖DNA配列であり得る。テザーの一部分は、図6に示されるようにdsDNAであってもよく、それによって剛性を提供し、ナノ粒子と基板との間の高さの変位を制御する。ヌクレオチドテザーは、配列が均一であっても不均一であってもよく、特定のものではない長さであり得る。一部の実施形態では、ヌクレオチドテザーは、長さが約5~200ヌクレオチドである。一部の実施形態では、テザーは、長さが約5~50、約51~100、約101~150、または約151~200ヌクレオチドである。別のさらなる実施形態では、ヌクレオチドテザーは、長さが約5~25、約26~50、約51~75、約76~100、約101~125、約126~150、約151~175、または約176~200ヌクレオチドである。テザーの両端は、ソース基板およびテザーの反対側の末端上のナノ粒子との共有化学結合またはビオチン-ストレプトアビジン会合の形成を促進する化学官能基で調製することができる。 Nanoparticles can be composed of a wide variety of materials. In one exemplary embodiment, the nanoparticles are gold nanoparticles (AuNPs). In other embodiments, the nanoparticle material is a quantum dot, a metal-based nanoparticle, a magnetic nanoparticle, or a nanoparticle composed of a dielectric material such as SiO2 or TiO2 . Magnetic plasmonic nanoparticle tags can also be used, whereby the biosensor binds to the nanoparticle by applying an attractive magnetic field between the released nanoparticle and the biotinylated biosensor. The required time can be shortened. Streptavidin-containing nanoparticles of the present disclosure are anchored to a source substrate using a DNA nucleotide tether comprised of non-specific nucleotide sequences. Consistent with this, the tether can be nearly any single-stranded DNA sequence. A portion of the tether may be dsDNA as shown in Figure 6, thereby providing rigidity and controlling the height displacement between the nanoparticle and the substrate. Nucleotide tethers may be uniform or heterogeneous in sequence and may be of unspecified length. In some embodiments, the nucleotide tether is about 5-200 nucleotides in length. In some embodiments, the tether is about 5-50, about 51-100, about 101-150, or about 151-200 nucleotides in length. In another further embodiment, the nucleotide tether has a length of about 5-25, about 26-50, about 51-75, about 76-100, about 101-125, about 126-150, about 151-175, or Approximately 176-200 nucleotides. Both ends of the tether can be prepared with chemical functionalities that facilitate the formation of covalent chemical bonds or biotin-streptavidin associations with the source substrate and the nanoparticles on the opposite ends of the tether.

例示的な一実施形態では、ストレプトアビジンは、ペグ化またはストレプトアビジンの共有結合もしくは非共有結合のための当技術分野で公知の他の方法を使用して、ナノ粒子、好ましくはAuNPに連結または付着される。ストレプトアビジン上の第2のビオチン結合部位は、ヌクレオチドテザーに結合するのに利用され、それによって、図6に提示されるように、ナノ粒子-ヌクレオチドテザー-ソース基板連結が作出される。好ましい一実施形態では、テザー、好ましくはssDNAは、ストレプトアビジン連結AuNPを、イソシアネートを介してソース基板に係留する。代替的な実施形態では、ssDNAは、ハロゲン化アルキル、スルホネート、アルデヒド、カルボン酸、またはエポキシドを介して、ストレプトアビジン連結ナノ粒子、例えば、AuNPに係留される。 In one exemplary embodiment, streptavidin is linked to the nanoparticles, preferably AuNPs, using pegylation or other methods known in the art for covalent or non-covalent attachment of streptavidin. attached. The second biotin binding site on streptavidin is utilized to bind to the nucleotide tether, thereby creating a nanoparticle-nucleotide tether-source substrate linkage as presented in FIG. 6. In one preferred embodiment, a tether, preferably ssDNA, anchors the streptavidin-linked AuNPs to the source substrate via an isocyanate. In alternative embodiments, ssDNA is tethered to streptavidin-linked nanoparticles, eg, AuNPs, via an alkyl halide, sulfonate, aldehyde, carboxylic acid, or epoxide.

本明細書に開示されるビオチン化ナノ粒子捕捉アッセイは、その配列が疾患、ウイルス病原体の存在、または細菌病原体の存在に関するバイオマーカーである1つまたはそれ以上の標的RNAまたはDNA分子の存在の検出を可能にする。これに一致して、例示的な一実施形態では、標的ヌクレオチド配列を有し、そのためにガイドポリヌクレオチド配列に対して相補的であり、活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有する疑いのある試料および/または生体試料を、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素とともにインキュベートする。試料中の標的分子の存在は、活性化Casをもたらし、活性化Casの濃度は標的分子の濃度に正比例する。Cas含有試料は、活性化Casおよび活性化されていないCasの両方を含有する可能性がある。適切な陰性対照および陽性対照も反応に含めることができる。 The biotinylated nanoparticle capture assays disclosed herein detect the presence of one or more target RNA or DNA molecules whose sequence is a biomarker for a disease, the presence of a viral pathogen, or the presence of a bacterial pathogen. enable. Consistent with this, in one exemplary embodiment, a suspected nucleotide sequence having a target nucleotide sequence and therefore complementary to a guide polynucleotide sequence and capable of forming an activated CRISPR/Cas complex is provided. A sample and/or biological sample is incubated with a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme. The presence of target molecules in the sample results in activated Cas, and the concentration of activated Cas is directly proportional to the concentration of target molecules. A Cas-containing sample can contain both activated and non-activated Cas. Appropriate negative and positive controls can also be included in the reaction.

本明細書で使用される「Cas酵素」は、Cas/CRISPR複合体を形成する能力を有する任意のCas酵素を含むことができる。当業者は、Cas酵素がクラスIおよびクラスIIに分類されることを理解するであろう。好ましい一実施形態では、Cas酵素はクラスII酵素であり、より具体的にはCas9、Cas12a、Cas12b、またはCas13aである。しかし、Csn2、Cas4、Cas12c、Cas12d、Cas12e、Cas12f、Cas12g、Cas12h、Cas12i、Cas12k、C2c4、C2c8、C2c9、Cas13b、Cas13c、またはCas13dを含むがこれらに限定されない代替的なクラスII Cas酵素もアッセイの一部として使用することができる。好ましい実施形態では、Cas9がメッセンジャーRNAを検出するために使用され、Cas12が二本鎖DNAを検出するために使用され、Cas13がマイクロRNAを検出するために使用される。 As used herein, a "Cas enzyme" can include any Cas enzyme that has the ability to form a Cas/CRISPR complex. Those skilled in the art will understand that Cas enzymes are classified into Class I and Class II. In one preferred embodiment, the Cas enzyme is a class II enzyme, more specifically Cas9, Cas12a, Cas12b, or Cas13a. However, CSN2, CAS4, CAS12C, CAS12D, CAS12E, CAS12E, CAS12G, CAS12H, CAS12I, CAS12I, CAS12I, C2C4, C2C8, C2C8, CAS13B, CAS13C, or CAS13D, or CAS13D. An alternative class II CAS enzyme that is not limited to these is also an assay It can be used as part of. In a preferred embodiment, Cas9 is used to detect messenger RNA, Cas12 is used to detect double-stranded DNA, and Cas13 is used to detect microRNA.

ビオチン化ナノ粒子捕捉アッセイでは、活性化Cas試料を、係留されたストレプトアビジン連結AuNPを含有するソース基板とともにインキュベートする。活性化CasはssDNAテザーを切断し、それによってストレプトアビジン連結AuNPをアッセイ媒体中に放出する。ストレプトアビジン連結AuNPを含有するアッセイ媒体を、ビオチン化バイオセンサーとともにインキュベートし、オープンポケットを介したストレプトアビジン-ビオチン結合およびその後のPRAM機器を介したストレプトアビジン-ビオチン結合の定量化を可能にする。結合粒子の量的変化は、試料または生体試料中の疾患、ウイルス病原体、または細菌性病原体の有無の指標となる。ビオチン化ナノ粒子捕捉アッセイの検出限界は、標的ctDNA配列について1zMであり(図7~9)、これは試験試料中のおよそ3コピーの標的DNA配列に相当する。150μLの溶液中に懸濁化された3コピーの遺伝子標的は、3.33×10-20M(33zM)に等しい。臨床血漿試料は一般に5mLの容量であるため、5mL容量中の3コピーの遺伝子標的は1.00×10-21(1zM)に等しい。ここでは、血漿DNA抽出キットが最大5mLのヒト血漿から精製DNAを100μL溶出することから、検出限界が1zMであることが報告されている。したがって、報告された1zMという検出限界は5mLの血漿中に存在する標的遺伝子のコピー数に対応し、その結果、試料中の全DNAは100μLの溶出容量で分離され、その後の切断工程のために150μLに最終希釈されることが想定される。 In the biotinylated nanoparticle capture assay, an activated Cas sample is incubated with a source substrate containing tethered streptavidin-linked AuNPs. Activated Cas cleaves the ssDNA tether, thereby releasing streptavidin-linked AuNPs into the assay medium. Assay medium containing streptavidin-linked AuNPs is incubated with the biotinylated biosensor, allowing streptavidin-biotin binding through the open pocket and subsequent quantification of streptavidin-biotin binding through the PRAM instrument. Quantitative changes in bound particles are indicative of the presence or absence of disease, viral pathogens, or bacterial pathogens in the sample or biological sample. The detection limit of the biotinylated nanoparticle capture assay is 1 zM for the target ctDNA sequence (Figures 7-9), which corresponds to approximately 3 copies of the target DNA sequence in the test sample. Three copies of the gene target suspended in 150 μL of solution is equal to 3.33×10 −20 M (33zM). Since clinical plasma samples are typically 5 mL in volume, 3 copies of the gene target in a 5 mL volume is equal to 1.00×10 −21 (1 zM). Here, it is reported that the detection limit is 1 zM since the plasma DNA extraction kit elutes 100 μL of purified DNA from a maximum of 5 mL of human plasma. Therefore, the reported detection limit of 1 zM corresponds to the number of copies of the target gene present in 5 mL of plasma, so that the total DNA in the sample is separated in an elution volume of 100 μL and left for the subsequent cleavage step. A final dilution of 150 μL is assumed.

好ましくは、バイオセンサーはフォトニック結晶である。バイオセンサーはまた、リング共振器、マイクロトロイド、またはマイクロスフェアであるウィスパリングギャラリーモードバイオセンサーであり得る。さらなる態様では、バイオセンサーは、光がそこを横方向に進む導波路構造、音響バイオセンサー、光音響バイオセンサー、または表面プラズモン共鳴バイオセンサーである。別のさらなる態様では、ソース基板から放出されたAuNPは、その後に表面上に捕捉され、捕捉されたナノ粒子を計数するための他の形態の顕微鏡、例えば、電子顕微鏡、暗視野顕微鏡、または反射干渉顕微鏡によって測定される。ナノ粒子が光子放出体、例えば、量子ドットまたはリン光ナノ粒子である場合、顕微鏡システムは、蛍光顕微鏡または全反射照明蛍光顕微鏡であり得る。図6は、AuNP捕捉アッセイの概観を提供する。 Preferably the biosensor is a photonic crystal. The biosensor can also be a whispering gallery mode biosensor that is a ring resonator, microtoroid, or microsphere. In further embodiments, the biosensor is a waveguide structure through which light travels laterally, an acoustic biosensor, a photoacoustic biosensor, or a surface plasmon resonance biosensor. In another further aspect, the AuNPs emitted from the source substrate are subsequently captured on a surface and subjected to other forms of microscopy, e.g., electron microscopy, dark field microscopy, or reflection microscopy, for counting the captured nanoparticles. Measured by interference microscopy. If the nanoparticles are photon emitters, such as quantum dots or phosphorescent nanoparticles, the microscopy system can be a fluorescence microscope or a total internal internal reflection fluorescence microscope. Figure 6 provides an overview of the AuNP capture assay.

また、ストレプトアビジン連結ナノ粒子を、活性化Casを有する溶液中を自由に浮遊するマイクロメートル規模の粒子に係留することもできる。本明細書で使用される「微粒子」という用語は、直径約2~75マイクロメートル、直径約2~70マイクロメートル、直径約2~65マイクロメートル、直径約2~55マイクロメートル、直径約2~50マイクロメートル、直径約2~45マイクロメートル、直径約2~30マイクロメートル、直径約2~25マイクロメートル、直径約5~50マイクロメートル、直径約5~35マイクロメートル、直径約5~30マイクロメートル、直径約5~25マイクロメートル、直径約5~20マイクロメートル、直径約5~15マイクロメートル、直径約5~15マイクロメートル、または直径約5~20マイクロメートルのサイズの範囲のポリマービーズ、磁性ビーズ、またはガラスビーズ(酸化シリコン)である微粒子を指す。自由に浮遊するマイクロメートル規模の粒子は、自由溶液中の微粒子およびCasの拡散を可能にし、それによってCasがより多くのssDNAテザーに遭遇することを可能にして、より短い時間でssDNAの切断を可能にする。本実施形態では、自由浮遊微粒子の使用は、ssDNA切断の後にさらなる工程を必要とし、この場合は微粒子を、遠心分離または磁石を使用して溶液から分離し、それによって上清中の放出されたストレプトアビジン連結ナノ粒子を分離する。続いて、ストレプトアビジン連結ナノ粒子を含有する上清をビオチン化バイオセンサーとともにインキュベートし、オープンポケットを介したストレプトアビジン-ビオチン結合、およびその後のPRAM機器を介したストレプトアビジン-ビオチン結合の定量化を可能にする。結合した粒子の定量的変化は、試料または生体試料中の疾患、ウイルス病原体、または細菌病原体の有無の指標となる。 Streptavidin-linked nanoparticles can also be tethered to micrometer-scale particles floating freely in a solution with activated Cas. As used herein, the term "particulate" refers to about 2 to 75 micrometers in diameter, about 2 to 70 micrometers in diameter, about 2 to 65 micrometers in diameter, about 2 to 55 micrometers in diameter, about 2 to 75 micrometers in diameter, 50 micrometers, approximately 2 to 45 micrometers in diameter, approximately 2 to 30 micrometers in diameter, approximately 2 to 25 micrometers in diameter, approximately 5 to 50 micrometers in diameter, approximately 5 to 35 micrometers in diameter, approximately 5 to 30 micrometers in diameter polymer beads ranging in size from about 5 to 25 micrometers in diameter, about 5 to 20 micrometers in diameter, about 5 to 15 micrometers in diameter, about 5 to 15 micrometers in diameter, or about 5 to 20 micrometers in diameter; Refers to microparticles that are magnetic beads or glass beads (silicon oxide). Free-floating micrometer-scale particles allow diffusion of microparticles and Cas in free solution, thereby allowing Cas to encounter more ssDNA tethers and cleavage of ssDNA in a shorter time. enable. In this embodiment, the use of free-floating microparticles requires an additional step after ssDNA cleavage, in which the microparticles are separated from the solution using centrifugation or a magnet, thereby separating the released microparticles in the supernatant. Isolate the streptavidin-conjugated nanoparticles. The supernatant containing streptavidin-conjugated nanoparticles was then incubated with a biotinylated biosensor to detect streptavidin-biotin binding through the open pocket and subsequent quantification of streptavidin-biotin binding via a PRAM instrument. enable. Quantitative changes in bound particles are indicative of the presence or absence of disease, viral, or bacterial pathogens in the sample or biological sample.

第2の実施形態では、本明細書に開示されるアッセイは、CRISPR/Cas酵素-ガイドRNA複合体(RNPと呼ばれる)が、その特異的標的への結合(RNP活性化)後の無差別な一本鎖核酸切断能力により、シグナル変化を生じさせるという原理で動作する。本実施形態では、AuNPは、DNAテザーを介してフォトニック結晶(PC)の表面に付着する。特異的なSARS-CoV-2 RNAに結合すると、活性化RNP複合体は、DNAテザーを非特異的かつ反復的に切断し、PC表面から金ナノ粒子を放出させる。続いて、PRAM機器が、各表面に放出された金ナノ粒子を検出および計数して、図2に示されるように、試験試料中のSARS-CoV-2 RNAの存在の即時の読出しをもたらす。 In a second embodiment, the assay disclosed herein is a method in which a CRISPR/Cas enzyme-guide RNA complex (referred to as RNP) is activated in a promiscuous manner after binding to its specific target (RNP activation). It operates on the principle of generating a signal change through its ability to cleave single-stranded nucleic acids. In this embodiment, AuNPs are attached to the surface of a photonic crystal (PC) via a DNA tether. Upon binding to specific SARS-CoV-2 RNA, the activated RNP complex non-specifically and repeatedly cleaves the DNA tether, releasing gold nanoparticles from the PC surface. A PRAM instrument then detects and counts the gold nanoparticles released on each surface, providing an immediate readout of the presence of SARS-CoV-2 RNA in the test sample, as shown in FIG. 2.

生物学的アッセイの第2の実施形態は、バイオセンサー;ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体、ナノ粒子の集団;および複数のヌクレオチドテザーを含む。バイオセンサーは、複数のヌクレオチドテザーを使用して表面に結合されたナノ粒子を含有する。ナノ粒子は、広範囲にわたる材料で構成することができ、一実施形態では、ナノ粒子は金である。他の実施形態では、ナノ粒子材料は、量子ドット、金属ベースのナノ粒子、磁性ナノ粒子、SiOもしくはTiOのような誘電体材料で構成されるナノ粒子、または磁性プラズモン性ナノ粒子である。テザーは、任意のRNA/DNA配列であり得る。 A second embodiment of a biological assay includes a biosensor; an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, a population of nanoparticles; and a plurality of nucleotide tethers. The biosensor contains nanoparticles attached to a surface using multiple nucleotide tethers. Nanoparticles can be composed of a wide variety of materials, and in one embodiment, the nanoparticles are gold. In other embodiments, the nanoparticle material is a quantum dot, a metal-based nanoparticle, a magnetic nanoparticle, a nanoparticle composed of a dielectric material such as SiO2 or TiO2 , or a magnetoplasmonic nanoparticle. . The tether can be any RNA/DNA sequence.

ナノ粒子は、非特異的ヌクレオチド配列で構成されるヌクレオチドテザーを使用して、バイオセンサーの表面に係留される。一実施形態では、ソース基板は、PCバイオセンサーである。ヌクレオチドテザーは、配列が均一であっても不均一であってもよく、特定のものではない長さであり得る。一部の実施形態では、ヌクレオチドテザーは、長さが約5~200ヌクレオチドである。一部の実施形態では、テザーは、長さが約5~50、約51~100、約101~150、または約151~200ヌクレオチドである。別のさらなる実施形態では、ヌクレオチドテザーは、長さが約5~25、約26~50、約51~75、約76~100、約101~125、約126~150、約151~175、または約176~200ヌクレオチドである。 Nanoparticles are tethered to the biosensor surface using nucleotide tethers composed of non-specific nucleotide sequences. In one embodiment, the source substrate is a PC biosensor. Nucleotide tethers may be uniform or heterogeneous in sequence and may be of unspecified length. In some embodiments, the nucleotide tether is about 5-200 nucleotides in length. In some embodiments, the tether is about 5-50, about 51-100, about 101-150, or about 151-200 nucleotides in length. In another further embodiment, the nucleotide tether has a length of about 5-25, about 26-50, about 51-75, about 76-100, about 101-125, about 126-150, about 151-175, or Approximately 176-200 nucleotides.

バイオセンサーは、フォトニック結晶であり得る。また、バイオセンサーは、ウィスパリングギャラリーモードバイオセンサーでもあり得る。ウィスパリングギャラリーモードバイオセンサーは、リング共振器、マイクロトロイド、またはマイクロスフェアである。さらなる実施形態では、バイオセンサーは、光がそこを横方向に進む導波路構造、音響バイオセンサー、または光音響バイオセンサーである。 A biosensor can be a photonic crystal. The biosensor can also be a whispering gallery mode biosensor. Whispering gallery mode biosensors are ring resonators, microtoroids, or microspheres. In further embodiments, the biosensor is a waveguide structure through which light travels laterally, an acoustic biosensor, or a photoacoustic biosensor.

前述のように、本明細書で使用される「Cas酵素」は、Cas/CRISPR複合体を形成する能力を有する任意のCas酵素を含むことができる。好ましい一実施形態では、Cas酵素はクラスII酵素、より具体的にはCas9、Cas12a、Cas12b、またはCas13aであるが、Csn2、Cas4、Cas12c、Cas12d、Cas12e、Cas12f、Cas12g、Cas12h、Cas12i、Cas12k、C2c4、C2c8、C2c9、Cas13b、Cas13c、またはCas13dを含むがこれらに限定されない代替的なクラスII Cas酵素もアッセイの一部として使用することができる。好ましい実施形態では、Cas9がメッセンジャーRNAを検出するために使用され、Cas12が二本鎖DNAを検出するために使用され、Cas13がマイクロRNAを検出するために使用される。 As mentioned above, a "Cas enzyme" as used herein can include any Cas enzyme that has the ability to form a Cas/CRISPR complex. In one preferred embodiment, the Cas enzyme is a class II enzyme, more specifically Cas9, Cas12a, Cas12b or Cas13a, but also Csn2, Cas4, Cas12c, Cas12d, Cas12e, Cas12f, Cas12g, Cas12h, Cas12i, Cas12k, Alternative class II Cas enzymes can also be used as part of the assay, including but not limited to C2c4, C2c8, C2c9, Cas13b, Cas13c, or Cas13d. In a preferred embodiment, Cas9 is used to detect messenger RNA, Cas12 is used to detect double-stranded DNA, and Cas13 is used to detect microRNA.

本明細書に開示されるアッセイの第2の実施形態は、その配列が疾患、ウイルス病原体の存在、または細菌性病原体の存在に関するバイオマーカーである標的RNAまたはDNAの存在の検出を可能にする。これに一致して、標的ヌクレオチド配列を有し、そのためにガイドポリヌクレオチド配列に対して相補的であり、活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有する疑いのある試料および/または生体試料を、アッセイに添加する。続いて、活性化複合体はヌクレオチドテザーを切断し、結合したナノ粒子の数量の変化をPRAM機器を使用して決定する。結合した粒子の定量的変化は、試料または生体試料中の疾患、ウイルス病原体、または細菌性病原体の有無の指標となる。より具体的には、定量的な差異は、試料の添加の前および後の、バイオセンサーの表面に係留されたナノ粒子間の差として計算される。係留されたナノ粒子の数の減少は、その配列が疾患、ウイルス病原体、または細菌性病原体に関するバイオマーカーであるRNAまたはDNA分子の存在の指標となる。さらに、目的のヌクレオチド配列は、疾患の存在の指標ともなる。SARS-CoV-2およびがんは、本明細書に開示されるシステム、アッセイ、および/または方法を使用して検出することができる例示的なウイルス病原体および疾患である。係留されたナノ粒子の定量化に続いて、ナノ粒子をバイオセンサー表面から除去して、バイオセンサーの再使用を可能にすることができる。ナノ粒子は、アッセイ緩衝液を交換することによって、またはアッセイ緩衝液を交換せずにアッセイ緩衝液を撹拌することによって、バイオセンサー表面から除去することができる。ナノ粒子は、磁性があれば、磁場の印加によってバイオセンサー表面から除去することもできる。本明細書に記載されるアッセイは、試料中の核酸を検出するためのシステムの一部であることもできる。本開示のシステムは、ソース基板、ヌクレオチドテザーによってバイオセンサーの表面に結合されたナノ粒子を有するバイオセンサー、またはビオチン化バイオセンサー、ヌクレオチドテザーを切断するように構成されたガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料がアッセイに添加された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ媒体;ならびに試料の添加の前および後の、バイオセンサーに係留されたナノ粒子の数を定量化するように構成されたPRAMイメージングプラットフォームのうちの1つまたはそれ以上で構成される。 A second embodiment of the assay disclosed herein allows for the detection of the presence of a target RNA or DNA whose sequence is a biomarker for a disease, the presence of a viral pathogen, or the presence of a bacterial pathogen. Consistent with this, suspect samples and/or biological samples that carry the target nucleotide sequence and are therefore complementary to the guide polynucleotide sequence and have the ability to form an activated CRISPR/Cas complex are , added to the assay. Subsequently, the activated complex cleaves the nucleotide tether and the change in the number of bound nanoparticles is determined using a PRAM instrument. Quantitative changes in bound particles are indicative of the presence or absence of disease, viral, or bacterial pathogens in the sample or biological sample. More specifically, the quantitative difference is calculated as the difference between the nanoparticles tethered to the surface of the biosensor before and after addition of the sample. A decrease in the number of tethered nanoparticles is indicative of the presence of RNA or DNA molecules whose sequences are biomarkers for disease, viral pathogens, or bacterial pathogens. Furthermore, the nucleotide sequence of interest is also indicative of the presence of a disease. SARS-CoV-2 and cancer are exemplary viral pathogens and diseases that can be detected using the systems, assays, and/or methods disclosed herein. Following quantification of the tethered nanoparticles, the nanoparticles can be removed from the biosensor surface to allow reuse of the biosensor. Nanoparticles can be removed from the biosensor surface by exchanging the assay buffer or by agitating the assay buffer without exchanging the assay buffer. If nanoparticles are magnetic, they can also be removed from the biosensor surface by application of a magnetic field. The assays described herein can also be part of a system for detecting nucleic acids in a sample. The system of the present disclosure comprises a source substrate, a biosensor having nanoparticles attached to the surface of the biosensor by a nucleotide tether, or a biotinylated biosensor, a guide polynucleotide sequence configured to cleave the nucleotide tether, and a Cas enzyme. an assay medium comprising: a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme capable of forming a CRISPR/Cas complex when a sample containing a target nucleotide sequence is added to the assay; One or more of the PRAM imaging platforms are configured to quantify the number of nanoparticles tethered to the biosensor before and after addition.

本開示はまた、試料中の目的の核酸配列、例えば、感染病原体、病原体、または疾患に関連する核酸配列の検出においてアッセイを使用するための方法も提供する。第1の例示的な実施形態は、試料中の核酸を検出するための方法である。ストレプトアビジンを、ペグ化または当技術分野で一般的に理解されている結合のための他の技術を用いてナノ粒子に連結する。ストレプトアビジン含有ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用してソース基板の表面に係留し、それによって、アッセイ表面およびビオチンでコーティングされたバイオセンサーを作出する。アッセイ媒体をアッセイ表面に添加し、ここでアッセイ媒体は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合に、活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有する。標的ヌクレオチド配列を含有する可能性のある生体試料をアッセイに添加し、それによって、ストレプトアビジン含有ナノ粒子を放出する活性化CRISPR/Cas複合体を形成させる。放出後に、ストレプトアビジン含有ナノ粒子を含有する試料をビオチン化バイオセンサーに添加し、続いてイメージングプラットフォームを使用して、ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン含有ナノ粒子の数を定量化する。 The present disclosure also provides methods for using the assay in detecting nucleic acid sequences of interest in a sample, eg, nucleic acid sequences associated with an infectious agent, pathogen, or disease. A first exemplary embodiment is a method for detecting nucleic acids in a sample. Streptavidin is linked to the nanoparticles using pegylation or other techniques for conjugation that are commonly understood in the art. Streptavidin-containing nanoparticles are tethered to the surface of the source substrate using nucleotide tethers, thereby creating an assay surface and a biotin-coated biosensor. An assay medium is added to the assay surface, wherein the assay medium includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, wherein the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme become activated when exposed to a sample containing the target nucleotide sequence. It has the ability to form CRISPR/Cas complexes. A biological sample potentially containing the target nucleotide sequence is added to the assay, thereby forming an activated CRISPR/Cas complex that releases streptavidin-containing nanoparticles. After release, a sample containing streptavidin-containing nanoparticles is added to the biotinylated biosensor, and an imaging platform is subsequently used to quantify the number of streptavidin-containing nanoparticles that bind to the biotinylated biosensor.

アッセイの第2の例示的な実施形態では、本方法のナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーの表面に係留する。続いて、アッセイ媒体をアッセイに添加する。このアッセイ媒体はガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合、またはアッセイに添加された場合に、CRISPR/Cas複合体を形成することができる。さらに、当業者は、アッセイ媒体が、収集された試料および/または生体試料を採取、貯蔵、または保存するために必要な成分も含有し得ることを理解するであろう。試料および/または生体試料は、ヌクレオチド配列を含有する疑いのある任意の試料であり得る。当業者は、これが任意の哺乳動物由来の組織および/または体液を含むが、これらに限定されないことを理解するであろう。好ましい一実施形態では、試料はヒト由来である。一部の実施形態では、試料は、標的ヌクレオチド配列を含有する可能性のある非哺乳動物宿主由来である。標的ヌクレオチド配列を含有する可能性のある試料をアッセイに添加すると、CRISPR/Cas複合体が形成され、続いて、イメージングプラットフォームを使用して、試料の添加の前および後の、バイオセンサーに係留されたナノ粒子の数が定量化される。好ましい一実施形態では、イメージングシステムは、PRAMイメージングプラットフォームである。イメージングプラットフォームは、代替的な非イメージング検出機器をさらに含むことができる。イメージングプラットフォームは、蛍光顕微鏡、TIRF顕微鏡、暗視野顕微鏡、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、または反射干渉顕微鏡でもあり得る。 In a second exemplary embodiment of the assay, the nanoparticles of the present method are tethered to the surface of a biosensor using a nucleotide tether. Subsequently, assay media is added to the assay. The assay medium includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme that, when exposed to a sample containing the target nucleotide sequence or added to the assay, binds to the CRISPR/Cas complex. can be formed. Additionally, those skilled in the art will appreciate that the assay medium may also contain the necessary components to collect, store, or preserve the collected sample and/or biological sample. The sample and/or biological sample can be any sample suspected of containing nucleotide sequences. Those skilled in the art will appreciate that this includes, but is not limited to, tissue and/or body fluids from any mammal. In one preferred embodiment, the sample is of human origin. In some embodiments, the sample is from a non-mammalian host that may contain the target nucleotide sequence. Upon addition of a sample potentially containing the target nucleotide sequence to the assay, a CRISPR/Cas complex is formed and subsequently tethered to the biosensor using an imaging platform before and after addition of the sample. The number of nanoparticles collected is quantified. In one preferred embodiment, the imaging system is a PRAM imaging platform. The imaging platform can further include alternative non-imaging detection equipment. The imaging platform can also be a fluorescence microscope, a TIRF microscope, a dark field microscope, an electron microscope, an atomic force microscope, or a reflection interference microscope.

さらに、本明細書に提供される第2の実施形態は、標的分子の濃度が十分に高い場合に、PRAMイメージングシステムを、ウイルス感染または疾患の存在の迅速な検出を可能にする、本明細書に開示されるシステム、アッセイ、または方法の一部として使用する場合に、20分間未満で結果を提供するというさらなる驚くべき技術的効果を有する。このため、本明細書に記載されるシステム、アッセイ、および方法は、医療現場で使用することができる。 Additionally, a second embodiment provided herein enables the PRAM imaging system to rapidly detect the presence of a viral infection or disease when the concentration of the target molecule is high enough. It has the additional surprising technical effect of providing results in less than 20 minutes when used as part of the systems, assays, or methods disclosed in . As such, the systems, assays, and methods described herein can be used in medical settings.

以下の実施例は、本発明の特定の実施形態およびそのさまざまな用途を例示するものである。それらは説明の目的のためにのみ記載されており、いかなる点においても本開示の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。 The following examples are illustrative of specific embodiments of the invention and its various applications. They are included for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the scope of the disclosure in any way.

方法
PC表面のシリル化
フォトニック結晶の外部酸化チタン層を化学的に活性化するために、酸素プラズマを使用して表面官能化を達成した。その後に、プラズマ処理によって生成された反応性ヒドロキシル基を、無水テトラヒドロフラン(THF)中に懸濁されたシラン混合物を使用して、室温で30分間の液相シリル化によって誘導体化した。50mL溶液は、49mLのTHF、900uLの3-(トリエトキシシリル)プロピルイソシアネート、50uLのブチル(クロロ)ジメチルシラン、および50uLのクロロ(ジメチル)オクチルシランで構成された。シリル化の後に、切断されたAuNPを捕捉するために使用するPC表面は、0.5% N,N-ジイソプロピルエチルアミン(DIPEA)を含有するリン酸緩衝生理食塩水中の濃度10mg/mLのアミン-PEG11-ビオチンとの反応によって、室温で12時間の二次官能化に供した。
Methods Silylation of PC Surfaces Surface functionalization was achieved using oxygen plasma to chemically activate the outer titanium oxide layer of the photonic crystal. Thereafter, the reactive hydroxyl groups generated by the plasma treatment were derivatized by liquid phase silylation using a silane mixture suspended in anhydrous tetrahydrofuran (THF) for 30 minutes at room temperature. The 50 mL solution consisted of 49 mL THF, 900 uL 3-(triethoxysilyl)propylisocyanate, 50 uL butyl(chloro)dimethylsilane, and 50 uL chloro(dimethyl)octylsilane. After silylation, the PC surface used to capture the cleaved AuNPs was immersed in an amine-containing solution at a concentration of 10 mg/mL in phosphate-buffered saline containing 0.5% N,N-diisopropylethylamine (DIPEA). It was subjected to secondary functionalization by reaction with PEG 11 -biotin for 12 hours at room temperature.

AuNP表面処理
アミン/ビオチンでキャッピングしたssDNAテザーを、ストレプトアビジン結合金ナノ粒子(AuNP)とともに、1mMヒドロキノン(ヌクレアーゼを含まない水中に懸濁化)中にて30℃で30分間インキュベートし、1,200rcfで10分間の遠心分離の後に単離した。続いて、ssDNA結合AuNPを1mMヒドロキノンに再懸濁させて、30秒間超音波処理した。
AuNP surface treatment Amine/biotin-capped ssDNA tethers were incubated with streptavidin-conjugated gold nanoparticles (AuNPs) in 1 mM hydroquinone (suspended in nuclease-free water) at 30 °C for 30 min. Isolated after centrifugation at 200 rcf for 10 minutes. Subsequently, the ssDNA-bound AuNPs were resuspended in 1 mM hydroquinone and sonicated for 30 seconds.

PC表面への金ナノ粒子固定化
150uLの1mMヒドロキノン緩衝液中に懸濁化したssDNA結合AuNPを、室温で30分間のコインキュベーションによって、シリル化PC表面上に固定化した。固定化の後に、PC表面を1mMヒドロキノンの4つの50mLアリコートで連続的に洗浄した。
Gold nanoparticle immobilization on PC surface ssDNA-conjugated AuNPs suspended in 150 uL of 1 mM hydroquinone buffer were immobilized on silylated PC surface by co-incubation for 30 minutes at room temperature. After immobilization, the PC surface was washed sequentially with four 50 mL aliquots of 1 mM hydroquinone.

Cas12a-sgRNA複合体の集合
等容量の100nM 酵素(EnGen(登録商標)Lba Cas12a)および125nM sgRNAを、1×CutSmart(登録商標)緩衝液(ヌクレアーゼを含まない水中で希釈)中で一緒に混合した。この溶液を4℃で1時間インキュベートして、Cas12a-sgRNA複合体の集合を可能にした。
Assembly of Cas12a-sgRNA complex Equal volumes of 100 nM enzyme (EnGen® Lba Cas12a) and 125 nM sgRNA were mixed together in 1× CutSmart® buffer (diluted in nuclease-free water). . This solution was incubated for 1 hour at 4°C to allow assembly of the Cas12a-sgRNA complex.

Cas12a-sgRNA複合体の標的活性化
集合したCas12a-sgRNA複合体を、150uLの1×CutSmart(登録商標)緩衝液中にて37℃で2分間、合成突然変異体dsDNA EGFR遺伝子断片とコインキュベーションすることによって活性化した。続いて、活性化複合体の各アリコートを、固定化AuNPを有する3×4mmのPCを含有する別々の1.5mLエッペンドルフ遠心管に添加した。
Targeted Activation of Cas12a-sgRNA Complexes The assembled Cas12a-sgRNA complexes are co-incubated with synthetic mutant dsDNA EGFR gene fragments for 2 minutes at 37°C in 150 uL of 1x CutSmart® buffer. It was activated by this. Each aliquot of activated complex was then added to a separate 1.5 mL Eppendorf centrifuge tube containing a 3 x 4 mm PC with immobilized AuNPs.

AuNPの表面切断および捕捉
標的活性化Cas12a-sgRNA溶液に浸漬したPCを37℃で1時間インキュベートし、続いて、溶液から取り出した。続いて、切断により放出されたAuNPを含有する標的活性化溶液を、アミン-PEG11-ビオチン官能化捕捉PCを含有する別の1.5mLエッペンドルフチューブに移した。捕捉PCを、放出されたAuNPを含有する溶液中で1時間インキュベートし、画像化の前に洗浄した。
Surface cleavage and capture of AuNPs PCs immersed in target-activated Cas12a-sgRNA solution were incubated for 1 hour at 37°C and subsequently removed from the solution. The target activation solution containing the AuNPs released by cleavage was then transferred to another 1.5 mL Eppendorf tube containing the amine-PEG 11 -biotin functionalized capture PC. Captured PCs were incubated for 1 h in a solution containing released AuNPs and washed before imaging.

表面イメージングおよび粒子計数
洗浄後に、AuNP捕捉に使用したPC表面に617nMレーザーを照射し、50倍顕微鏡対物レンズ下で画像化した。粒子カウントは、取得した画像の後処理の後に測定した。
Surface Imaging and Particle Counting After cleaning, the PC surface used for AuNP capture was irradiated with a 617 nM laser and imaged under a 50x microscope objective. Particle counts were measured after post-processing of the acquired images.

[実施例1]蛍光試験におけるCRISPRアッセイ構成要素の予備的検証により、RNP複合体がレポーター配列を切断する能力が実証される。
CRISPRアッセイ構成要素の予備的検証を、一方の末端に6-カルボキシフルオレセイン(6-FAM)、他方の末端にブラックホールクエンチャー(BHQ)からなるレポーター配列の存在下で実施した。SARS-CoV-2ゲノムの両方の区画(図3(A)および図3(B)において、それぞれNおよびE遺伝子として示される)に対する活性化RNP複合体は、レポーター配列を切断する能力を示した。その結果、図3(C)において、FAMレポーターの蛍光発光強度の有意な増加が観察された。標的N遺伝子濃度の濃度を変化させることによって、同じアッセイを繰り返した。図3(D)に示すように、標的遺伝子濃度を1fM~10nMの間で変化させた場合、蛍光発光強度に特異的なパターンは観察されなかった。
Example 1 Preliminary validation of CRISPR assay components in a fluorescence test demonstrates the ability of RNP complexes to cleave reporter sequences.
Preliminary validation of the CRISPR assay components was performed in the presence of a reporter sequence consisting of 6-carboxyfluorescein (6-FAM) at one end and black hole quencher (BHQ) at the other end. Activated RNP complexes for both compartments of the SARS-CoV-2 genome (denoted as N and E genes in Figure 3(A) and Figure 3(B), respectively) showed the ability to cleave reporter sequences. . As a result, in FIG. 3(C), a significant increase in the fluorescence emission intensity of the FAM reporter was observed. The same assay was repeated by varying the concentration of target N gene concentration. As shown in FIG. 3(D), when the target gene concentration was varied between 1 fM and 10 nM, no specific pattern in fluorescence intensity was observed.

[実施例2]CRISPRアッセイにより、活性化RNP複合体の存在下でDNAテザーの切断に成功したことが明らかになる。
CRISPR構成要素の予備的検証に続いて、図2に示す原理を使用してPC上でアッセイを実施した。検出アッセイは、以下の構成要素からなった:(i)DNAテザーを介して結合したAuNPにより官能化されたPC、(ii)活性化RNP複合体:Cas 12a+定義された標的に対するガイドRNA+標的遺伝子、(iii)剥離したAuNPを洗浄するための分子生物学グレードの水。活性化RNP複合体をポリジメチルシロキサン(PDMS)ウェルに添加し、PCに付着させて、10分間インキュベートした。その後に、ウェルを分子生物学グレードの水で3回洗浄した。活性化RNP複合体の添加の前および水で洗浄した後のAuNP画像を、携帯型PRAMを使用して捕捉した。SARS-CoV-2ゲノムの両方の区画について、活性化RNP複合体の添加後にAuNPカウントの減少が観察された。この現象は、活性化RNP複合体の存在下で、PC表面上にAuNPを連結するDNAテザーの切断に成功する原因となった。標的N遺伝子および標的E遺伝子のAuNPカウントの結果の変化を、それぞれ図4(A)および4(B)に示す。
Example 2 CRISPR assay reveals successful cleavage of DNA tethers in the presence of activated RNP complexes.
Following preliminary validation of the CRISPR components, the assay was performed on a PC using the principle shown in Figure 2. The detection assay consisted of the following components: (i) PC functionalized with AuNPs attached via a DNA tether, (ii) activated RNP complex: Cas 12a + guide RNA for defined target + target gene. , (iii) molecular biology grade water for washing the exfoliated AuNPs. Activated RNP complexes were added to polydimethylsiloxane (PDMS) wells, allowed to attach to PC, and incubated for 10 minutes. Thereafter, the wells were washed three times with molecular biology grade water. AuNP images before addition of activated RNP complexes and after washing with water were captured using portable PRAM. For both compartments of the SARS-CoV-2 genome, a decrease in AuNP counts was observed after addition of activated RNP complexes. This phenomenon led to the successful cleavage of the DNA tether linking the AuNPs on the PC surface in the presence of activated RNP complexes. Changes in the AuNP count results for the target N gene and the target E gene are shown in Figures 4(A) and 4(B), respectively.

アッセイの特異性を、活性化RNP複合体の切断活性を活性化されていない複合体の切断活性と比較することによって検討した。活性化複合体は標的遺伝子からなっていたが、活性化されていない複合体(図5(A、B)において対照として示される)は、その中に標的遺伝子を有していなかった。図5(A)で観察されるように、SARS-CoV-2ゲノムの両方の区画について、PCに不活化CRISPR複合体を添加する前および後で、AuNPカウントに有意な変化はなかった。図5(B)に示されるチャートは、活性化RNP複合体の存在下でAuNPの約95%が除去されたが、対照試料中に標的遺伝子が存在しない場合には、AuNPのおよそ12%の変化が観察されたことを示す。 The specificity of the assay was examined by comparing the cleavage activity of activated RNP complexes to that of non-activated complexes. The activated complex consisted of the target gene, whereas the non-activated complex (shown as a control in Figure 5 (A, B)) did not have the target gene in it. As observed in Figure 5(A), there was no significant change in AuNP counts before and after adding inactivated CRISPR complexes to PCs for both compartments of the SARS-CoV-2 genome. The chart shown in Figure 5(B) shows that approximately 95% of the AuNPs were removed in the presence of activated RNP complexes, whereas approximately 12% of the AuNPs were removed in the absence of the target gene in the control sample. Indicates that a change has been observed.

[実施例3]Cas12aテザー切断によって放出されたナノ粒子の捕捉。
捕捉ベースのアッセイは、RNP複合体の標的活性化と、それに続いて、既知濃度の標的遺伝子を有する150μLのRNP複合体を含有する別々の1.5mLチューブ内の個々の3×4mmのPC上に見出されたssDNA係留AuNPの切断を、37℃で1時間行うことによって始めた。インキュベーション後に、RNP複合体、遺伝子断片および放出されたAuNPの150μL溶液を、ビオチン化PEGで官能化した捕捉PC表面を含有する200μL容量の8×8mm円形ウェルに移した。150uL溶液中に懸濁化されたAuNPを、捕捉PCを含有するウェル内で1時間インキュベートし、続いて溶液から取り出して、50倍対物レンズを使用して携帯型PRAM上で画像化した。標的遺伝子断片を含有しないRNP複合体とともにインキュベートした陰性対照PCを画像化して、非特異的切断(バックグラウンド信号)に伴うAuNPカウントを測定した。RNP複合体および遺伝子断片、EGFRWT(対照)またはEGFRL858R(突然変異体)のいずれかを含有する試料とともにインキュベートした各捕捉PCを画像化して、AuNPカウントを得た。陰性対照PCの画像化によって測定された平均バックグラウンド信号を差し引いた後、濃度(mol/L)および配列同一性(EGFRWTまたはEGFRL858R)のそれぞれについて、各PCの絶対的AuNPカウントを得た。続いて、それらの各々のAuNPカウントを使用して、各遺伝子断片(対照および突然変異体)に関する用量反応曲線を作成した。対照試料では用量反応は観察されなかったが、突然変異体遺伝子断片の場合には、1zM~1fMの濃度範囲にわたって直線的な用量反応が達成された(図7~9)。
Example 3: Capture of nanoparticles released by Cas12a tether cleavage.
The capture-based assay involves targeted activation of RNP complexes, followed by on-boarding of individual 3 x 4 mm PCs in separate 1.5 mL tubes containing 150 μL of RNP complexes with known concentrations of the target gene. The cleavage of the ssDNA-tethered AuNPs found in Figure 1 was initiated by performing 1 hour at 37°C. After incubation, a 150 μL solution of RNP complexes, gene fragments and released AuNPs was transferred to a 200 μL volume 8×8 mm circular well containing a capture PC surface functionalized with biotinylated PEG. AuNPs suspended in 150 uL solution were incubated in wells containing capture PC for 1 hour, then removed from solution and imaged on a portable PRAM using a 50x objective. Negative control PCs incubated with RNP complexes containing no target gene fragment were imaged to measure AuNP counts associated with non-specific cleavage (background signal). Each captured PC incubated with samples containing RNP complexes and gene fragments, either EGFR WT (control) or EGFR L858R (mutant), was imaged to obtain AuNP counts. After subtracting the average background signal measured by imaging of negative control PCs, absolute AuNP counts for each PC were obtained for each of concentration (mol/L) and sequence identity (EGFR WT or EGFR L858R ). . Subsequently, their respective AuNP counts were used to generate dose-response curves for each gene fragment (control and mutant). No dose response was observed in the control samples, whereas in the case of the mutant gene fragments a linear dose response was achieved over the concentration range from 1 zM to 1 fM (FIGS. 7-9).

結論
本開示は、PRAM PCベースのバイオセンシングプラットフォーム上でのSARS-CoV-2ゲノムのさまざまな区画の検出が首尾良く迅速に行われたことを実証している。CRISPRアッセイ構成要素の柔軟な性質は、感染症および病原体、ならびにヒトの健康に影響を及ぼす病理学的状態、例えば、ヒトのがんの検出のための、本明細書に記載されるシステム、アッセイ、および方法の使用を強く示すものである。
Conclusion The present disclosure demonstrates that detection of various compartments of the SARS-CoV-2 genome on a PRAM PC-based biosensing platform was successfully and rapidly performed. The flexible nature of CRISPR assay components makes the systems and assays described herein useful for the detection of infectious diseases and pathogens, as well as pathological conditions affecting human health, such as human cancer. , and strongly indicate the use of the method.

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Claims (66)

試料中の核酸を検出するためのシステムであって:
ヌクレオチドテザーによってソース基板の表面に結合されたストレプトアビジン連結ナノ粒子を有するソース基板;
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ媒体;
ビオチン化バイオセンサー;
イメージングプラットフォーム
を含み;
ガイドポリヌクレオチド配列は、標的ヌクレオチド配列およびCas酵素に結合し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成し;
Cas酵素は、ヌクレオチドテザーを切断し、それによってストレプトアビジン連結ナノ粒子を放出するように構成されており;
ストレプトアビジン連結ナノ粒子は、ビオチン化バイオセンサーに結合し、
イメージングプラットフォームは、ビオチン化バイオセンサーに結合したストレプトアビジン連結ナノ粒子の数を定量化するように構成されている、システム。
A system for detecting nucleic acids in a sample, the system comprising:
a source substrate having streptavidin-linked nanoparticles attached to the surface of the source substrate by a nucleotide tether;
An assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, wherein the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme are capable of forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a sample containing a target nucleotide sequence. medium;
Biotinylated biosensor;
including an imaging platform;
a guide polynucleotide sequence binds to a target nucleotide sequence and a Cas enzyme, thereby forming a CRISPR/Cas complex;
The Cas enzyme is configured to cleave the nucleotide tether, thereby releasing the streptavidin-linked nanoparticles;
Streptavidin-conjugated nanoparticles bind to biotinylated biosensors;
The imaging platform is configured to quantify the number of streptavidin-conjugated nanoparticles bound to the biotinylated biosensor system.
ソース基板は、生物学的に不活性な固体材料である、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the source substrate is a biologically inert solid material. 不活性な固体材料は、ガラス(酸化ケイ素)である、請求項2に記載のシステム。 3. The system of claim 2, wherein the inert solid material is glass (silicon oxide). 不活性な固体材料は、ポリエステル、ポリスチレン、またはアクリルのうちの1つまたは複数で構成されるプラスチックである、請求項2に記載のシステム。 3. The system of claim 2, wherein the inert solid material is a plastic composed of one or more of polyester, polystyrene, or acrylic. 不活性な固体材料は、金または銀である、請求項2に記載のシステム。 3. The system of claim 2, wherein the inert solid material is gold or silver. 不活性な固体材料は、窒化ケイ素または酸化チタンである、請求項2に記載のシステム。 3. The system of claim 2, wherein the inert solid material is silicon nitride or titanium oxide. Casは、Cas9、Cas12a、Cas12b、またはCas13である、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein Cas is Cas9, Cas12a, Cas12b, or Cas13. 標的ヌクレオチド配列は、SARS-CoV2の指標である、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the target nucleotide sequence is indicative of SARS-CoV2. 標的ヌクレオチド配列は、がんの指標である、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the target nucleotide sequence is indicative of cancer. がんは、固形腫瘍である、請求項9に記載のシステム。 10. The system of claim 9, wherein the cancer is a solid tumor. がんは、血液系のがんである、請求項10に記載のシステム。 11. The system according to claim 10, wherein the cancer is a hematological cancer. バイオセンサーは、フォトニック結晶を含み、イメージングプラットフォームは、フォトニック結晶の共振を励起するように構成された光源、およびフォトニック結晶から反射された光を検出するように構成された検出器を含む、請求項1に記載のシステム。 The biosensor includes a photonic crystal, and the imaging platform includes a light source configured to excite resonance in the photonic crystal and a detector configured to detect light reflected from the photonic crystal. , the system of claim 1. イメージングプラットフォームは、フォトニック結晶にわたってピクセル単位で測定された共振ピーク強度値を定量化するように構成されている、請求項12に記載のシステム。 13. The system of claim 12, wherein the imaging platform is configured to quantify resonant peak intensity values measured pixel by pixel across the photonic crystal. イメージングプラットフォームは、非イメージング検出機器を含む、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the imaging platform includes non-imaging detection equipment. バイオセンサーは、ウィスパリングギャラリーモードバイオセンサーである、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the biosensor is a whispering gallery mode biosensor. ウィスパリングギャラリーバイオセンサーは、リング共振器、マイクロトロイド、またはマイクロスフェアである、請求項15に記載のシステム。 16. The system of claim 15, wherein the whispering gallery biosensor is a ring resonator, microtoroid, or microsphere. バイオセンサーは、光が横方向に進む導波路構造を含む、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the biosensor includes a waveguide structure in which light travels laterally. バイオセンサーは、音響バイオセンサーである、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the biosensor is an acoustic biosensor. バイオセンサーは、光音響バイオセンサーである、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the biosensor is a photoacoustic biosensor. バイオセンサーは、表面プラズモン共鳴バイオセンサーである、請求項1に記載のシステム。 2. The system of claim 1, wherein the biosensor is a surface plasmon resonance biosensor. ソース基板;
ビオチン化バイオセンサー;
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体、
ストレプトアビジン連結ナノ粒子の集団;ならびに
複数のヌクレオチドテザー
を含む生物学的アッセイであって;
ストレプトアビジン連結ナノ粒子は、複数のヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーに結合されており、ヌクレオチドテザーは、核酸配列で構成される、生物学的アッセイ。
Source board;
Biotinylated biosensor;
an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme;
A biological assay comprising: a population of streptavidin-linked nanoparticles; and a plurality of nucleotide tethers;
Streptavidin-linked nanoparticles are attached to biosensors using multiple nucleotide tethers, which are composed of nucleic acid sequences, for biological assays.
ガイドポリヌクレオチド配列に対して相補的な検出用のヌクレオチド標的配列を含有する試料が、アッセイに添加されて、活性化CRISPR/Cas複合体を形成することができる、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological method of claim 21, wherein a sample containing a detection nucleotide target sequence complementary to a guide polynucleotide sequence can be added to the assay to form an activated CRISPR/Cas complex. Target assay. Cas酵素は、Cas9であり、検出用のヌクレオチド標的配列は、メッセンジャーRNA(mRNA)である、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the Cas enzyme is Cas9 and the nucleotide target sequence for detection is messenger RNA (mRNA). Cas酵素は、Cas13であり、検出用のヌクレオチド標的配列は、マイクロRNA(miRNA)である、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the Cas enzyme is Cas13 and the nucleotide target sequence for detection is a microRNA (miRNA). Cas酵素は、Cas12であり、検出用のヌクレオチド標的配列は、二本鎖DNA(dsDNA)である、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the Cas enzyme is Cas12 and the nucleotide target sequence for detection is double-stranded DNA (dsDNA). ナノ粒子は、金ナノ粒子、量子ドット、金属ベースナノ粒子、磁性ナノ粒子、磁性プラズモン性ナノ粒子、リン光性ナノ粒子、またはSiOもしくはTiOのような誘電材料で構成されるナノ粒子である、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 The nanoparticles are gold nanoparticles, quantum dots, metal-based nanoparticles, magnetic nanoparticles, magnetoplasmonic nanoparticles, phosphorescent nanoparticles, or nanoparticles composed of dielectric materials such as SiO 2 or TiO 2 22. The biological assay of claim 21. バイオセンサーは、フォトニック結晶を含み、フォトニック結晶にわたってピクセル単位で測定された共振ピーク強度値を定量化するように構成されたイメージングプラットフォームをさらに含む、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor includes a photonic crystal and further includes an imaging platform configured to quantify resonance peak intensity values measured pixel by pixel across the photonic crystal. バイオセンサーは、非イメージング検出機器を含む、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor comprises a non-imaging detection device. バイオセンサーは、ウィスパリングギャラリーモードバイオセンサーである、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor is a whispering gallery mode biosensor. ウィスパリングギャラリーバイオセンサーは、リング共振器、マイクロトロイド、またはマイクロスフェアである、請求項29に記載の生物学的アッセイ。 30. The biological assay of claim 29, wherein the whispering gallery biosensor is a ring resonator, microtoroid, or microsphere. バイオセンサーは、光が横方向に進む導波路構造を含む、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor comprises a waveguide structure in which light travels laterally. バイオセンサーは、音響バイオセンサーである、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor is an acoustic biosensor. バイオセンサーは、光音響バイオセンサーである、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor is a photoacoustic biosensor. バイオセンサーは、表面プラズモン共鳴バイオセンサーである、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the biosensor is a surface plasmon resonance biosensor. ヌクレオチドテザーは、長さ4~100ヌクレオチドのヌクレオチド配列で構成される、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the nucleotide tether is comprised of a nucleotide sequence between 4 and 100 nucleotides in length. ヌクレオチドテザーは、ヌクレオチド長が均一である、請求項35に記載の生物学的アッセイ。 36. The biological assay of claim 35, wherein the nucleotide tethers are uniform in nucleotide length. ヌクレオチドテザーは、ヌクレオチド長が不均一である、請求項35に記載の生物学的アッセイ。 36. The biological assay of claim 35, wherein the nucleotide tethers are non-uniform in nucleotide length. CAS酵素は、Cas9、Cas12aまたはCas13aである、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, wherein the CAS enzyme is Cas9, Cas12a or Cas13a. 室温で安定である、請求項21に記載の生物学的アッセイ。 22. The biological assay of claim 21, which is stable at room temperature. 試料中の核酸を検出するための方法であって:
ストレプトアビジンをナノ粒子に結合させて、ストレプトアビジン含有ナノ粒子を作出する工程;
ストレプトアビジン含有ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用してソース基板の表面に係留し、それによってアッセイ表面を作出する工程;
バイオセンサーをビオチンでコーティングし、それによってビオチン化バイオセンサーを作出する工程;
試験試料をアッセイ媒体に添加することによって活性化Cas酵素を生成する工程であって、
アッセイ媒体は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試験試料に曝露された場合に、活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有する、工程;
活性化Cas酵素およびアッセイ表面のインキュベーション時に切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子を捕捉する工程;
切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子をビオチン化バイオセンサーとともにインキュベートする工程;ならびに
ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン含有ナノ粒子の数を、イメージングプラットフォームを使用して定量化する工程
を含む方法。
A method for detecting nucleic acids in a sample, the method comprising:
conjugating streptavidin to the nanoparticles to create streptavidin-containing nanoparticles;
tethering streptavidin-containing nanoparticles to the surface of a source substrate using a nucleotide tether, thereby creating an assay surface;
coating the biosensor with biotin, thereby creating a biotinylated biosensor;
producing an activated Cas enzyme by adding a test sample to an assay medium, the step comprising:
The assay medium includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme;
the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme have the ability to form an activated CRISPR/Cas complex when exposed to a test sample containing the target nucleotide sequence;
capturing cleaved streptavidin-containing nanoparticles upon incubation of activated Cas enzyme and assay surface;
A method comprising: incubating cleaved streptavidin-containing nanoparticles with a biotinylated biosensor; and quantifying the number of streptavidin-containing nanoparticles that bind to the biotinylated biosensor using an imaging platform.
Cas酵素は、Cas9、Cas12またはCas13である、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the Cas enzyme is Cas9, Cas12 or Cas13. ビオチン化バイオセンサーに結合したストレプトアビジン含有ナノ粒子の数量は、その配列が疾患、ウイルス病原体の存在、または細菌病原体の存在に関するバイオマーカーである標的RNAまたはDNA分子の存在の指標となる、請求項40に記載の方法。 Claim: wherein the number of streptavidin-containing nanoparticles bound to the biotinylated biosensor is indicative of the presence of a target RNA or DNA molecule whose sequence is a biomarker for a disease, the presence of a viral pathogen, or the presence of a bacterial pathogen. 40. 標的ヌクレオチド配列は、SARS-CoV2の指標である、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the target nucleotide sequence is indicative of SARS-CoV2. 標的ヌクレオチド配列は、がんの指標である、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the target nucleotide sequence is indicative of cancer. がんは、固形腫瘍である、請求項44に記載の方法。 45. The method of claim 44, wherein the cancer is a solid tumor. がんは、血液系のがんである、請求項44に記載の方法。 45. The method according to claim 44, wherein the cancer is a hematological cancer. バイオセンサーは、フォトニック結晶を含み、イメージングプラットフォームは、フォトニック結晶の共振を励起するように構成された光源、およびフォトニック結晶から反射された光を検出するように構成された検出器を含む、請求項40に記載の方法。 The biosensor includes a photonic crystal, and the imaging platform includes a light source configured to excite resonance in the photonic crystal and a detector configured to detect light reflected from the photonic crystal. 41. The method of claim 40. イメージングプラットフォームは、フォトニック結晶にわたってピクセル単位で測定された共振ピーク強度値を定量化するように構成されている、請求項47に記載の方法。 48. The method of claim 47, wherein the imaging platform is configured to quantify resonant peak intensity values measured pixel by pixel across the photonic crystal. イメージングプラットフォームは、非イメージング検出機器を含む、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the imaging platform includes non-imaging detection equipment. イメージングプラットフォームは、蛍光顕微鏡、TIRF顕微鏡、暗視野顕微鏡、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、反射干渉顕微鏡である、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the imaging platform is a fluorescence microscope, a TIRF microscope, a dark field microscope, an electron microscope, an atomic force microscope, a reflection interference microscope. バイオセンサーは、ウィスパリングギャラリーモードバイオセンサーである、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the biosensor is a whispering gallery mode biosensor. ウィスパリングギャラリーバイオセンサーは、リング共振器、マイクロトロイド、またはマイクロスフェアである、請求項51に記載の方法。 52. The method of claim 51, wherein the whispering gallery biosensor is a ring resonator, microtoroid, or microsphere. バイオセンサーは、光が横方向に進む導波路構造を含む、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the biosensor comprises a waveguide structure in which light travels laterally. バイオセンサーは、音響バイオセンサーである、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the biosensor is an acoustic biosensor. バイオセンサーは、光音響バイオセンサーである、請求項40に記載の方法。 41. The method of claim 40, wherein the biosensor is a photoacoustic biosensor. ナノ粒子は、金ナノ粒子、量子ドット、金属ベースのナノ粒子、磁性ナノ粒子、磁性プラズモン性ナノ粒子タグ、またはSiOもしくはTiOのような誘電材料で構成されるナノ粒子である、請求項40に記載の方法。 Claims wherein the nanoparticles are gold nanoparticles, quantum dots, metal-based nanoparticles, magnetic nanoparticles, magnetic plasmonic nanoparticle tags, or nanoparticles composed of dielectric materials such as SiO2 or TiO2 . 40. 試料中の核酸を検出するためのシステムであって:
ヌクレオチドテザーによって自由浮遊微粒子に結合されたストレプトアビジン連結ナノ粒子;
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ媒体;
ビオチン化バイオセンサー;
イメージングプラットフォーム
を含み;
ガイドポリヌクレオチド配列は、標的ヌクレオチド配列およびCas酵素に結合し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成し;
Cas酵素は、ヌクレオチドテザーを切断し、それによってストレプトアビジン連結ナノ粒子を放出するように構成されており;
ストレプトアビジン連結ナノ粒子は、ビオチン化バイオセンサーに結合し、
イメージングプラットフォームは、ビオチン化バイオセンサーに結合したストレプトアビジン連結ナノ粒子の量を定量化するように構成されている、システム。
A system for detecting nucleic acids in a sample, the system comprising:
Streptavidin-linked nanoparticles attached to free-floating microparticles by nucleotide tethers;
An assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, wherein the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme are capable of forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a sample containing a target nucleotide sequence. medium;
Biotinylated biosensor;
including an imaging platform;
a guide polynucleotide sequence binds to a target nucleotide sequence and a Cas enzyme, thereby forming a CRISPR/Cas complex;
The Cas enzyme is configured to cleave the nucleotide tether, thereby releasing the streptavidin-linked nanoparticles;
Streptavidin-conjugated nanoparticles bind to biotinylated biosensors;
The imaging platform is configured to quantify the amount of streptavidin-conjugated nanoparticles bound to the biotinylated biosensor system.
ストレプトアビジン連結ナノ粒子;
自由浮遊微粒子;
ビオチン化バイオセンサー;
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体、
ストレプトアビジン連結ナノ粒子の集団;ならびに
複数のヌクレオチドテザー
を含む生物学的アッセイであって;
ストレプトアビジン連結ナノ粒子は、複数のヌクレオチドテザーを使用して自由浮遊微粒子に結合されており、ヌクレオチドテザーは、核酸配列で構成される、生物学的アッセイ。
Streptavidin-linked nanoparticles;
Freely floating particulates;
Biotinylated biosensor;
an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme;
A biological assay comprising: a population of streptavidin-linked nanoparticles; and a plurality of nucleotide tethers;
Streptavidin-linked nanoparticles are attached to free-floating microparticles using multiple nucleotide tethers, where the nucleotide tethers are composed of nucleic acid sequences, for biological assays.
試料中の核酸を検出するための方法であって:
ストレプトアビジンをナノ粒子に結合させて、ストレプトアビジン含有ナノ粒子を作出する工程;
ストレプトアビジン含有ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用して自由浮遊微粒子に係留する工程、
バイオセンサーをビオチンでコーティングし、それによってビオチン化バイオセンサーを作出する工程;
試験試料をアッセイ媒体に添加することによって活性化Cas酵素を生成する工程であって、
アッセイ媒体は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試験試料に曝露された場合に、活性化CRISPR/Cas複合体を形成する能力を有する、工程;
活性化Cas酵素および自由浮遊微粒子のインキュベーション時に切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子を捕捉する工程;
切断されたストレプトアビジン含有ナノ粒子をビオチン化バイオセンサーとともにインキュベートする工程;ならびに
ビオチン化バイオセンサーに結合するストレプトアビジン含有ナノ粒子の数を、イメージングプラットフォームを使用して定量化する工程
を含む方法。
A method for detecting nucleic acids in a sample, the method comprising:
conjugating streptavidin to the nanoparticles to create streptavidin-containing nanoparticles;
tethering streptavidin-containing nanoparticles to free-floating microparticles using nucleotide tethers;
coating the biosensor with biotin, thereby creating a biotinylated biosensor;
producing an activated Cas enzyme by adding a test sample to an assay medium, the step comprising:
The assay medium includes a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme;
the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme have the ability to form an activated CRISPR/Cas complex when exposed to a test sample containing the target nucleotide sequence;
capturing cleaved streptavidin-containing nanoparticles upon incubation of activated Cas enzyme and free-floating microparticles;
A method comprising: incubating cleaved streptavidin-containing nanoparticles with a biotinylated biosensor; and quantifying the number of streptavidin-containing nanoparticles that bind to the biotinylated biosensor using an imaging platform.
試料中の核酸を検出するためのシステムであって:
ヌクレオチドテザーによってバイオセンサーの表面に結合されたナノ粒子を有するバイオセンサー;
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体であって、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、アッセイ媒体;ならびに
イメージングプラットフォーム
を含み、
ガイドポリヌクレオチド配列は、標的ヌクレオチド配列およびCas酵素に結合し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成し;
Cas酵素は、ヌクレオチドテザーを切断し、それによってナノ粒子を放出するように構成されており;
イメージングプラットフォームは、試料の添加の前および後の、バイオセンサーに係留されたナノ粒子の数を定量化するように構成されている、システム。
A system for detecting nucleic acids in a sample, the system comprising:
a biosensor having nanoparticles attached to the surface of the biosensor by a nucleotide tether;
An assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, wherein the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme are capable of forming a CRISPR/Cas complex when exposed to a sample containing a target nucleotide sequence. a medium; and an imaging platform;
a guide polynucleotide sequence binds to a target nucleotide sequence and a Cas enzyme, thereby forming a CRISPR/Cas complex;
The Cas enzyme is configured to cleave the nucleotide tether, thereby releasing the nanoparticle;
The imaging platform is configured to quantify the number of nanoparticles tethered to the biosensor before and after sample addition to the system.
バイオセンサー;
ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含むアッセイ媒体、
ナノ粒子の集団;ならびに
複数のヌクレオチドテザー
を含む生物学的アッセイであって;
ナノ粒子は、複数のヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーの表面に結合されており、ヌクレオチドテザーは、核酸配列で構成される、生物学的アッセイ。
Biosensor;
an assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme;
A biological assay comprising: a population of nanoparticles; and a plurality of nucleotide tethers;
Nanoparticles are attached to the surface of biosensors using multiple nucleotide tethers, which are composed of nucleic acid sequences, for biological assays.
試料中の核酸を検出するための方法であって:
ナノ粒子を、ヌクレオチドテザーを使用してバイオセンサーの表面に係留し、それによってアッセイ表面を作出する工程;
アッセイ媒体をアッセイ表面に添加する工程であって、アッセイ媒体は、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素を含み、ガイドポリヌクレオチド配列およびCas酵素は、標的ヌクレオチド配列を含有する試料に曝露された場合にCRISPR/Cas複合体を形成することができる、工程;
標的ヌクレオチド配列を含有する可能性のある生体試料をアッセイに添加し、それによってCRISPR/Cas複合体を形成させる工程;ならびに
試料の添加の前および後の、バイオセンサーに係留されたナノ粒子の数を、イメージングプラットフォームを使用して定量化する工程
を含む方法
A method for detecting nucleic acids in a sample, the method comprising:
tethering the nanoparticles to the surface of the biosensor using a nucleotide tether, thereby creating an assay surface;
adding an assay medium to the assay surface, the assay medium comprising a guide polynucleotide sequence and a Cas enzyme, the guide polynucleotide sequence and the Cas enzyme, when exposed to a sample containing the target nucleotide sequence, the CRISPR a step capable of forming a /Cas complex;
adding a biological sample potentially containing the target nucleotide sequence to the assay, thereby forming a CRISPR/Cas complex; and the number of nanoparticles tethered to the biosensor before and after addition of the sample. using an imaging platform.
係留されたナノ粒子の定量化の後に、ナノ粒子をバイオセンサー表面から除去する、請求項62に記載の方法。 63. The method of claim 62, wherein after quantification of the tethered nanoparticles, the nanoparticles are removed from the biosensor surface. アッセイ緩衝液を交換することによって、ナノ粒子をバイオセンサー表面から除去する、請求項62に記載の方法。 63. The method of claim 62, wherein the nanoparticles are removed from the biosensor surface by exchanging the assay buffer. ナノ粒子を、アッセイ緩衝液の交換を行わずにアッセイ緩衝液の撹拌によってバイオセンサー表面から除去する、請求項62に記載の方法。 63. The method of claim 62, wherein the nanoparticles are removed from the biosensor surface by agitation of the assay buffer without assay buffer exchange. ナノ粒子が磁性ナノ粒子である場合、磁場の印加によってナノ粒子をバイオセンサー表面から除去する、請求項62に記載の方法。 63. The method of claim 62, wherein when the nanoparticles are magnetic nanoparticles, the nanoparticles are removed from the biosensor surface by application of a magnetic field.
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